JP2017093210A

JP2017093210A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2017093210A
Application number: JP2015222816A
Authority: JP
Inventors: 宏樹村津; Hiroki Muratsu
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: JP6700578B2

Abstract

【課題】バイパス給電／変換器給電の切替を瞬時に行い、低コスト化が可能で信頼性の高い無停電電源装置を提供する。【解決手段】ダブルコンバージョン方式の変換器給電回路１００と、交流電源の交流電力を交流スイッチ部２０１を介して負荷に供給するバイパス給電回路２００と、を備えた無停電電源装置において、交流スイッチ部２０１は、自己消弧機能を持つ主スイッチ２２１と、自己消弧機能を持たずに過負荷耐量の大きい補助スイッチ２１０とを並列に接続して構成され、交流電源の健全時に、変換器給電回路１００または主スイッチ２２１の何れか一方により負荷に給電すると共に、変換器給電回路１００に異常が発生して給電経路をバイパス給電回路２００に切り替える際に、補助スイッチ２１０を、変換器給電回路１００の運転停止と同時にオンさせて主スイッチ２２１がオンした後にオフさせる。【選択図】図１

Description

本発明は、交流／直流／交流変換を行う電力変換器により負荷に給電する変換器給電回路と、交流スイッチ部の動作により負荷に給電するバイパス給電回路とを備え、必要に応じて給電経路を切り替える無停電電源装置（以下、ＵＰＳともいう）に関するものである。

交流／直流／交流変換を行う、いわゆるダブルコンバージョン方式の電力変換器を備えたＵＰＳや周波数変換器等の変換装置は、各種の仕様の電気・電子機器に信頼性の高い電源を供給するために用いられている。
近年、省エネルギーへの関心の高まりから、これらの変換装置の高効率化が望まれており、その一手段として、主に海外向けの変換装置では、バイパス給電回路から負荷に給電する高効率モードを備えたＵＰＳが主流となりつつある。

この種のＵＰＳとしては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。
特許文献１に記載されたＵＰＳのバイパス給電回路には、２個のバイポーラトランジスタを逆直列に接続した交流スイッチ部が使用されており、同文献には、バイポーラトランジスタの代わりにＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いても良いことが記載されている。

特開平１０−７５５８１号公報／特許第３６２４５６８号公報（段落［００４７］、図１，図６，図１１〜図１３）

しかしながら、のバイパス給電回路における交流スイッチ部として２個のＩＧＢＴを逆直列接続して用いる場合には、以下のような問題が生じる。
すなわち、ＩＧＢＴの過電流耐量は、例えばサイリスタに比べて大幅に小さいため、変換器給電回路からの給電中に負荷側で短絡が発生してバイパス給電回路に切り替える際に、バイパス給電回路を流れる短絡電流によって交流スイッチ部のＩＧＢＴが破損する恐れがある。

また、大容量の他のＵＰＳにおいては、バイパス給電回路の交流スイッチ部として、特許文献１の図１１〜図１３に示されるように連続通電可能なサイリスタを使用する、或いは、短時間定格のサイリスタとコンタクタやブレーカ等の機械式接点とを並列に接続して使用することが行われている。
しかし、サイリスタは自己消弧機能を持たないので、給電経路をバイパス給電回路から変換器給電回路に切り替える際に、最大で商用電源の１周期分の切替時間が必要になり、また、コンタクタやブレーカを使用した場合にも接点動作に時間がかかるという問題がある。このように給電経路の切替に時間がかかると、入力側で線間短絡や地絡等の事故が発生した場合に、負荷への給電を継続できなくなるおそれがあり、ＵＰＳとしての信頼性維持が困難になる。
更に、バイパス給電回路の交流スイッチ部にサイリスタを使用する場合には、消弧回路を用いればサイリスタを瞬時にオフすることができるが、消弧回路の追加により装置のコストやサイズが大幅に増加するという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、高い信頼性を保ちながら、バイパス給電回路と変換器給電回路との切替を瞬時に行うことができ、しかも、低コスト化が可能な無停電電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る無停電電源装置は、交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流器、前記整流器から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ、前記インバータの交流出力側と負荷との間に接続された開閉手段、及び、前記整流器と前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電手段、を有する変換器給電回路と、
前記交流電源の交流電力を、交流スイッチ部を介して前記負荷に供給するバイパス給電回路と、を備え、
前記交流スイッチ部は、自己消弧機能を持つ主スイッチと、自己消弧機能を持たずに過負荷耐量の大きい補助スイッチとを並列に接続して構成され、
前記変換器給電回路に異常が発生して給電経路を前記バイパス給電回路に切り替える際に、前記インバータの運転停止と同時に前記補助スイッチをオンさせると共に前記開閉手段の開放指令を発生し、前記開閉手段がオフし、かつ前記主スイッチがオンした後に前記補助スイッチをオフさせるものである。

請求項２に係る無停電電源装置は、請求項１に記載した無停電電源装置において、前記補助スイッチが２個のサイリスタの逆並列回路により構成されているものである。

請求項３に係る無停電電源装置は、請求項１に記載した無停電電源装置において、前記交流電源の健全時に、前記変換器給電回路または前記主スイッチの何れか一方を介して前記負荷に給電するものである。

請求項４に係る無停電電源装置は、請求項１に記載した無停電電源装置において、前記バイパス給電回路から前記負荷に給電しているときに、前記補助スイッチをオフさせ、かつ前記開閉手段をオンさせるものである。

請求項５に係る無停電電源装置は、請求項４に記載した無停電電源装置において、給電経路を前記バイパス給電回路から前記変換器給電回路に切り替える際に、前記主スイッチをオフさせると同時に前記インバータの運転を開始するものである。

本発明によれば、バイパス給電回路に設けられる交流スイッチ部を、自己消弧機能を有する主スイッチと自己消弧機能は持たないが過負荷耐量の大きいサイリスタ等からなる補助スイッチとの並列接続回路によって構成したことにより、主スイッチの破損等を招くことなく、変換効率の高いバイパス給電回路と電源品質の高い変換器給電回路との間で給電経路を瞬時に切り替えることができる。
また、補助スイッチに消弧回路を設ける必要がないため、コストが増加する心配もない。

本発明の実施形態に係る無停電電源装置の回路図である。図１における交流スイッチ部の第１実施例を示す回路図である。図１における交流スイッチ部の第２実施例を示す回路図である。図１における交流スイッチ部の第３実施例を示す回路図である。通常時において、給電経路を変換器給電回路からバイパス給電回路に切り替える際のタイミングチャートである。異常発生時において、給電経路を変換器給電回路からバイパス給電回路に切り替える際のタイミングチャートである。通常時において、給電経路をバイパス給電回路から変換器給電回路に切り替える際のタイミングチャートである。異常発生時において、給電経路をバイパス給電回路から変換器給電回路に切り替える際のタイミングチャートである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係るＵＰＳの回路図である。図１において、１００は、交流入力端１１と交流出力端２０との間に構成された変換器給電回路であり、２００は、バイパス入力端１２と交流出力端２０との間に構成されたバイパス給電回路である。交流入力端１１及びバイパス入力端１２は、図示されていない同一の三相交流電源（商用電源）に接続され、交流出力端２０には図示されていない負荷が接続されている。

変換器給電回路１００において、交流入力端１１には、コンデンサ及びリアクトルからなる交流フィルタ１０１を介して、交流／直流変換器としての整流器１０２が接続されている。この整流器１０２の直流出力側には、平滑コンデンサ１０３を介して、直流／交流変換器としてのインバータ１０４の直流入力側が接続されている。

平滑コンデンサ１０３が設けられている直流中間回路には、チョッパ等の直流／直流変換器３０１を介して直流入力端３０が接続されており、この直流入力端３０には、図示されていない蓄電池等の蓄電装置が接続されている。ここで、直流／直流変換器３０１、直流入力端及び蓄電装置は、請求項における蓄電手段を構成している。
また、インバータ１０４の交流出力側は、コンデンサ及びリアクトルからなる交流フィルタ１０５と開閉手段としてのコンタクタ（またはブレーカ）１０６とを介して、交流出力端２０に接続されている。

一方、バイパス給電回路２００は交流スイッチ部２０１を備えており、この交流スイッチ部２０１は、図２〜図４にそれぞれ示す第１〜第３実施例のように構成されている。
すなわち、第１〜第３実施例に係る交流スイッチ部は、自己消弧機能を持つＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を有する主スイッチと、２個のサイリスタの逆並列回路からなる補助スイッチと、を並列に接続して構成される。ここで、サイリスタは、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子よりも大きな短時間過負荷耐量（短時間定格）を有している。

まず、図２は第１実施例の交流スイッチ部２０１Ａを示している。
図２において、１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗはバイパス入力端１２の各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）に接続される入力端、２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗは交流出力端２０の各相に接続される出力端である。
各相の交流スイッチ部の構成は同一であるため、図２を参照しつつＵ相を例に挙げて説明すると、入力端１２Ｕと出力端２０Ｕとの間には、逆並列ダイオードを有するＩＧＢＴ２２１ａ,２２１ｂを逆直列に接続した主スイッチ２２１と、サイリスタ２１０ａ，２１０ｂを逆並列接続してなる補助スイッチ２１０とが、並列に接続されている。

次に、図３は、第２実施例の交流スイッチ部２０１Ｂを示している。
この交流スイッチ部２０１Ｂは、例えばＵ相の入力端１２Ｕと出力端２０Ｕとの間に、逆阻止ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ）２２２ａ,２２２ｂを逆並列に接続して逆耐圧を持たせた主スイッチ２２２と、前記補助スイッチ２１０とが、並列に接続されている。

また、図４は、第３実施例の交流スイッチ部２０１Ｃを示している。
この交流スイッチ部２０１Ｃは、例えばＵ相の入力端１２Ｕと出力端２０Ｕとの間に、ダイオードブリッジ２２３ａと、その出力端子間に接続されて逆並列ダイオードを有するＩＧＢＴ２２３ｂとからなる主スイッチ２２３と、前記補助スイッチ２１０とが、並列に接続されている。

上記第１〜第３実施例において、自己消弧機能を有する主スイッチ２２１,２２２,２２３はバイパス給電時にオンされるもので、給電経路をバイパス給電回路２００から変換器給電回路１００に切り替える際に瞬時にオフすることが可能であり、また、過電流耐量が大きいサイリスタを用いた補助スイッチ２１０は、負荷の短絡等により給電経路を変換器給電回路１００からバイパス給電回路２００に切り替えた場合でも短絡電流によって破損する心配がない。

次に、この実施形態における給電経路の切替動作を説明する。
まず、図５,図６は、給電経路を変換器給電回路１００からバイパス給電回路２００に切り替える場合のタイミングチャートである。なお、交流入力端１１及びバイパス入力端１２に接続されている交流電源は健全であり、電源電圧は所定の範囲内であるものとする。また、以下の説明は、前述した交流スイッチ部２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃの何れを用いる場合も同様である。

図５は、変換器給電回路１００が通常動作により給電しているときに、給電経路をバイパス給電回路２００側に切り替える場合である。
時刻ｔ_１において、交流スイッチ部の主スイッチ（２２１または２２２または２２３）にオン指令を送り、給電経路をバイパス給電回路２００側に移行した後、時刻ｔ_２に、インバータ１０４に対するパルスオフ指令を発生させて給電経路を切り替える。
この場合、補助スイッチ２１０はオフのままであり、また、交流電源が健全であるため、コンタクタ１０６はオンのままである。

図６は、変換器給電回路１００内のインバータ１０４等が故障した異常発生時の動作を示している。
時刻ｔ_１で異常を検出すると、インバータ１０４のパルスオフ指令、補助スイッチ２１０のオン指令、コンタクタ１０６のオフ指令を、同時かつ速やかに発生させる。
コンタクタ１０６が完全にオフするまでには、通常、オフ指令から数十[ｍｓ]程度の遅れが生じるため、コンタクタ１０６がオフしたことの応答は時刻ｔ_２に得られる。

時刻ｔ_１〜ｔ_２の間、補助スイッチ２１０には事故電流が流れる可能性があるが、短時間定格の補助スイッチ２１０を構成するサイリスタは十分な過負荷耐量を持っている。従って、コンタクタ１０６からのオフ応答を確認した後に、時刻ｔ_３でバイパス給電用の主スイッチをオンし、その後の時刻ｔ_４で補助スイッチ２１０をオフすることで補助スイッチ２１０のオン時間を短く設定すれば、補助スイッチ２１０が破壊されるおそれもなく、給電経路を短時間で切り替えることが可能である。

次に、図７,図８は、給電経路をバイパス給電回路２００から変換器給電回路１００に切り替える場合のタイミングチャートである。
図７は、交流電源が健全であってバイパス給電回路２００が通常動作により給電しているときに、給電経路を変換器給電回路１００側に切り替える場合である。
時刻ｔ_１でインバータ１０４に対するパルスオン指令を発生して給電経路を変換器給電経路１００側に移行した後に、時刻ｔ_２で主スイッチに対するオフ指令を発生させる。
この場合、補助スイッチ２１０はオフのままであり、また、交流電源が健全であるため、コンタクタ１０６はオンのままである。

図８は、交流電源の異常（停電や電圧低下等）によりバイパス給電回路２００からの給電が不可能になった場合の動作を示している。
時刻ｔ_１で異常を検出すると、インバータ１０４のパルスオン指令、交流スイッチ部の主スイッチに対するオフ指令を同時かつ速やかに発生させる。これにより、インバータ１０４は、図１の直流／直流変換器３０１の直流出力電圧を交流電圧に変換し、負荷への給電を維持することができる。
なお、この間の補助スイッチ２１０及びコンタクタ１０６の動作は図７と同様である。

補助スイッチ２１０を構成するサイリスタは自己消弧機能を持たないため、例えば電源短絡等の異常発生時に半周期はオフできないおそれがある。しかし、この実施形態では、主スイッチとして、過負荷耐量が小さくても自己消弧機能を有するＩＧＢＴを使用しているので、交流電源に起因するバイパス給電回路２００側の異常発生時に、給電経路を変換器給電回路１００側に瞬時に切り替えることが可能である。

本発明は、実施形態として説明した三相の無停電電源装置だけでなく、単相の無停電電源装置にも利用することができる。

１１：交流入力端
１２：バイパス入力端
１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗ：入力端
２０：交流出力端
２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗ：出力端
３０：直流入力端
１００：変換器給電回路
１０１，１０５：交流フィルタ
１０２：整流器
１０３：平滑コンデンサ
１０４：インバータ
１０６：コンタクタ
２００：バイパス給電回路
２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ：交流スイッチ部
２１０：補助スイッチ
２１０ａ，２１０ｂ：サイリスタ
２２１,２２２,２２３：主スイッチ
２２１ａ,２２１ｂ，２２２ａ,２２２ｂ，２２３ｂ：ＩＧＢＴ
２２３,２２４：逆阻止ＩＧＢＴ
２２３ａ：ダイオードブリッジ
３０１：直流／直流変換器

Claims

交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流器、前記整流器から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ、前記インバータの交流出力側と負荷との間に接続された開閉手段、及び、前記整流器と前記インバータとの間の直流中間回路に接続された蓄電手段、を有する変換器給電回路と、
前記交流電源の交流電力を、交流スイッチ部を介して前記負荷に供給するバイパス給電回路と、を備え、
前記交流スイッチ部は、自己消弧機能を持つ主スイッチと、自己消弧機能を持たずに過負荷耐量の大きい補助スイッチとを並列に接続して構成され、
前記変換器給電回路に異常が発生して給電経路を前記バイパス給電回路に切り替える際に、前記インバータの運転停止と同時に前記補助スイッチをオンさせると共に前記開閉手段の開放指令を発生し、前記開閉手段がオフし、かつ前記主スイッチがオンした後に前記補助スイッチをオフさせることを特徴とする無停電電源装置。
請求項１に記載した無停電電源装置において、
前記補助スイッチが２個のサイリスタの逆並列回路により構成されていることを特徴とする無停電電源装置。
請求項１に記載した無停電電源装置において、
前記交流電源の健全時に、前記変換器給電回路または前記主スイッチの何れか一方を介して前記負荷に給電することを特徴とする無停電電源装置。
請求項１に記載した無停電電源装置において、
前記バイパス給電回路から前記負荷に給電しているときに、前記補助スイッチをオフさせ、かつ前記開閉手段をオンさせることを特徴とする無停電電源装置。
請求項４に記載した無停電電源装置において、
給電経路を前記バイパス給電回路から前記変換器給電回路に切り替える際に、前記主スイッチをオフさせると同時に前記インバータの運転を開始することを特徴とする無停電電源装置。