JP4530919B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、商用電源の電圧低下（以下、異常という）時に、負荷に電力を供給する無停電電源装置に関するものである。

従来の無停電電源装置は、後述する特許文献１の図１に示されるように、負荷４が常時は、商用電源５からの交流電力を接続状態切換手段６を介して受けるようになっている。
この接続状態切換手段６は半導体スイッチ７と、これに並列接続された接触器８とから構成されている。

一方、インバータ１がバッテリ２を入力電源とし、インバータトランス３を介して負荷４に電力を供給するようになっている。インバータ制御回路９Ａは基準発生回路１０、出力電圧制御回路１１、ゲート制御回路１２、停電検出回路１３、ＰＬＬ回路１４、及び切換制御回路１５Ａを有している。

商用電源５と接続状態切換手段６との間には電圧検出器１６が取り付けられており、この電圧検出器１６からの電圧検出信号は停電検出回路１３及びＰＬＬ回路１４に入力されている。負荷４側で一時的過負荷が発生すると、電圧検出器１６の検出電圧が低下するため、停電検出回路１３は、停電検出信号１７を切換制御回路１５Ａ及び基準発生回路１０に出力する。

また、ＰＬＬ回路１４が電圧検出器１６からの入力にもとづき出力電圧位相基準信号２０を出力電圧制御回路１１に出力する。基準発生回路１０は、停電検出回路１３からの停電検出信号１７が入力されると出力電圧基準信号１９を出力電圧制御回路１１に対して出力し、ゲート制御回路１２は信号２１の入力でゲート信号２２を出力してインバータ１を動作させ、バッテリ２からの直流電力を交流電力に変換して負荷４に供給する。

このとき電力方向判定回路３６は、電圧検出器２３及び電流検出器４８からの検出信号にもとづき、電力方向が負荷回生方向ではないことを示す電力方向判定信号３９を切換制御回路１５Ａに出力する。これにより、切換制御回路１５Ａは接続状態切換手段６の半導体スイッチ７をオン状態に維持する。商用電源５が過負荷以外の原因で異常になった場合は、停電検出回路１３が停電検出信号１７を出力し、インバータ制御回路９Ａはインバータ１を起動すると共に、半導体スイッチ７をオフにしていた。（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−９５１８３号公報（段落０００２−０００５、図１）

従来の無停電電源装置は以上のように構成されており、過負荷以外の電圧低下時には、１つの電圧検出回路の停電検出信号によってインバータ１の起動と半導体スイッチ７のオフ操作とを同時に行っているので、電圧低下の検出からインバータの起動までの時間を短縮するためには電圧低下検出の感度を上げざるを得ない。その結果、微弱な電圧低下まで検出して半導体スイッチをオフしてしまう場合があり、かえって電圧低下が拡大してしまうという問題点があった。

また、電圧低下による電圧変動の大部分は、定格電圧の５０％以上が変動せずに残るものであるが、インバータ１の起動信号と、商用電源５と負荷４の間にある半導体スイッチ７をオフする信号とを同時に出すと、半導体スイッチ７がオフされた瞬間は、インバータ１が負荷４に電流を流していない状態であるため、負荷電圧が０近くまで落ちることになり、インバータ１が０付近から電圧を立ち上げるのに時間がかかるという問題点もあった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、不要な電圧低下を抑えることができる無停電電源装置を提供することを目的とする。

この発明に係る無停電電源装置は、商用電源と負荷との間に接続されたスイッチと、交流側端子が上記スイッチと負荷との間に接続され、直流側端子が充電可能な直流電源に接続された双方向電力変換回路と、上記商用電源の電圧を検出する電圧検出器と、上記電圧検出器の電圧信号を入力し、上記電圧信号が異常検出レベル１以下になった時、第１の異常信号を発生すると共に、第１の異常信号が所定時間継続した時、上記双方向電力変換回路を直流から交流への変換回路に切換える信号を発生する電圧異常検出回路と、上記電圧検出器の電圧信号を入力し、上記電圧信号が異常検出レベル２以下になった時、第２の異常信号を発生すると共に、第２の異常信号が別の所定時間継続した時、上記スイッチをオフにする信号を発生する電圧異常検出回路とを備え、上記異常検出レベル２は上記異常検出レベル１より低い値に設定されているものである。

この発明に係る無停電電源装置は上記のように構成されているため、商用電源の異常発生から双方向電力変換器が負荷へ定格電力を供給するまでの時間を短くすることができる。それと共に、微弱な電圧異常に対してはスイッチをオフにしないようにし、電圧変動が拡大しないようにすることができる。

また、双方向電力変換器が直流電圧制御状態から交流電圧制御状態に切り換わる前に、スイッチがオフされて負荷への電力供給がなくなる状態を解消することができる。

さらに、入力電圧の低下が大きい場合には高速でスイッチをオフし、入力電圧の低下が小さい場合には双方向電力変換器が負荷に電力を供給できる状態になってからスイッチをオフするようにしているため、双方向電力変換器が直流電圧制御状態から交流電圧制御状態に切り換わるタイミングと、スイッチをオフするタイミングとを最適に制御することができる。

さらにまた、双方向電力変換器が複数個並列に運転される場合においても、各双方向電力変換器の直流電圧制御状態から交流電圧制御状態への切り換えのタイミングのばらつきをなくすことができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１の構成を示すブロック図である。この図に示されるように、平常時は商用電源１から負荷２に例えば半導体スイッチ３を介して電力を供給している。また、双方向電力変換器４は交流→直流及び直流→交流の双方向への電力変換を行なうものであり、平常時は商用電源１からの交流を入力として直流に変換し、直流電圧を制御して直流電源５を充電する直流電圧制御状態にある。

商用電源１に異常が発生すると、電圧検出器であるＶＴ６で検出した電圧が電圧異常検出回路７、８に与えられ、それぞれで電圧異常が検出される。電圧異常検出回路７、８の構成及び動作については後述する。

電圧異常検出回路７で異常が検出されると双方向電力変換器４に直流電圧制御状態から交流電圧制御状態への切り換え信号が出される。即ち、直流から交流への電力変換に切り換えるための指令が発せられる。一方、電圧異常検出回路８で異常が検出されると半導体スイッチ３にオフ信号が与えられる。

次に、電圧異常検出回路７、８の構成及び動作について説明する。
図２は、電圧異常検出回路７、８の概略構成を示すブロック図である。
即ち、電圧異常検出回路７は、ＶＴ６で検出された電圧と、基準値である電圧異常検出レベル１とを比較する比較器１０とタイマ１とを有し、ＶＴ６からの検出電圧が電圧異常検出レベル１を下回ると比較器１０から信号１が出力され、この信号１がタイマ１で設定された時間以上継続すると、電圧異常信号１が出力されて上述のように、双方向電力変換器４に与えられるようになっている。

電圧異常検出回路８は、ＶＴ６で検出された電圧と、基準値である電圧異常検出レベル２とを比較する比較器１３とタイマ２とを有し、ＶＴ６からの検出電圧が電圧異常検出レベル２を下回ると比較器１３から信号１が出力され、この信号１がタイマ２で設定された時間以上継続すると、電圧異常信号２が出力されて上述のように、半導体スイッチ３に与えられるようになっている。

このように電圧異常検出回路７と８は、同様な構成とされているが、基準値となる電圧異常検出レベル１と２は同じ値ではなく、後述するように、電圧異常検出レベル２が電圧異常検出レベル１より低く設定されている。
また、タイマ１と２の設定時間も同じではなく、後述するように、タイマ２の設定時間がタイマ１よりも長い時間に設定されている。

次に、商用電源１に異常が発生した場合の実施の形態１の動作について説明する。図３、図４は、異常発生時の動作状態を示すタイムチャートであり、図３は、電圧変動が長時間継続する異常状態を示し、図４は、負荷に影響のない短時間の電圧異常状態を示す。

ＶＴ６の検出電圧（入力電圧）が異常の発生により図３（ａ）に示すように、電圧異常検出レベル１を下回ると、その時点ｔ1からタイマ１の設定時間経過後に電圧異常を確認して図３（ｂ）に示す電圧異常信号１を発生し、図３（ｃ）に示すように、双方向電力変換器４に直流電圧制御状態から交流電圧制御状態に切り換える信号を出す。

この結果、双方向電力変換器４の交流出力電流は図３（ｄ）に示すように、増加する。
一方、ＶＴ６からの入力電圧が図３（ａ）に示すように、電圧異常検出レベル２を下回ると、その時点ｔ2からタイマ２の設定時間経過後に電圧異常を確認して図３（ｅ）に示す電圧異常信号２を発生し、図３（ｆ）に示すように、半導体スイッチ３へのオフ信号を出し、出力電圧は図３（ａ）の一点鎖線のように回復する。

タイマ２の設定時間がタイマ１の設定時間より長いため、半導体スイッチ３がオフになる時には、双方向電力変換器４は負荷２へ電流を流している。また、図４に示すように、負荷に影響のない短時間の電圧異常の場合には、ＶＴ６からの入力電圧が図４（ａ）のように、異常検出レベル１を下回って、その時点ｔ1からタイマ１の設定時間経過後に電圧異常を確認して図４（ｂ）に示すように、電圧異常信号１が発生し、図４（ｃ）に示すように、双方向電力変換器４への制御状態切換信号が発せられて図４（ｄ）に示すように、双方向電力変換器４の出力電流が増加し始めても、入力電圧が異常検出レベル２に達してその時点ｔ2からのタイマ２の設定時間が切れるまでに時点ｔ4で異常検出レベル１を超えて正常状態に復帰するため、図４（ｅ）に示すように、電圧異常信号２も発せられず、図４（ｆ）に示す半導体スイッチ３のオフ信号も発せられない。

上記の説明はＶＴ６の検出電圧が異常検出レベル１及び２を共に下回る場合について説明したが、異常検出レベル１を下回るが異常検出レベル２に達しない場合は、電圧異常検出回路８が動作しないため、上述の説明と同じ結果となる。
いずれの場合とも、双方向電力変換器４が図４（ｃ）に示すように、一瞬交流電圧制御状態に切り換わるだけで、半導体スイッチ３はオフされない。このように、双方向電力変換器４への交流電圧制御信号と半導体スイッチ３へのオフ信号をそれぞれ独立した信号とすることにより、負荷電圧が定格電圧まで立ち上がるのを高速化し、半導体スイッチ３をオフすることによる電圧変動の拡大を避けることができる。
なお、上記の説明における電圧異常検出レベル及びタイマ時間は、上述の設定に限られるものではない。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図５は、実施の形態２の構成を示すブロック図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、２つの電圧異常検出回路７、８の出力をＯＲ回路１５に入力し、その出力によって双方向電力変換器４の運転状態の切り換えを行なうようにした点である。

実施の形態１では、電圧異常検出回路７の異常検出信号で双方向電力変換器４を交流電圧制御状態に切り換えると共に、電圧異常検出回路８の異常検出信号で半導体スイッチ３をオフにするようにそれぞれ独立して信号を発するようにしたが、２つの電圧異常検出回路の異常検出レベルとタイマ時間の設定の仕方によっては、半導体スイッチへのオフ信号が双方向電力変換器への運転切換信号より先になる場合があるので、実施の形態２はこのような結果を招かないようにするため、図５に示すように、電圧異常検出回路７の異常検出信号と電圧異常検出回路８の異常検出信号のＯＲ条件をＯＲ回路１５でとり、双方向電力変換器４に対する直流電圧制御状態から交流電圧制御状態への切換信号を発するようにしたものである。

この結果、双方向電力変換器４が交流電圧制御状態になる前に半導体スイッチ３がオフになり、負荷電圧が０付近まで落ち込んだままになるという状態をなくすることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図６は、実施の形態３の構成を示すブロック図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図１と異なる点は、電圧異常検出回路８の代わりにタイミング調整回路１６を設け、半導体スイッチ３をオフするタイミングを調整するようにした点である。

実施の形態１では電圧異常検出回路のタイマ設定時間が固定の場合について説明したが、半導体スイッチ３をオフにする最適のタイミングは、電圧低下の度合いによって異なり、電圧低下が大きい場合は高速でオフにしなければならないが、電圧低下が小さい場合は双方向電力変換器４が負荷２に電流を供給できるようになった状態でオフにするほうがよい。

そこで、実施の形態３は図６に示すように、タイミング調整回路１６を設け、ＶＴ６の検出電圧の電圧低下の度合いによって半導体スイッチ３をオフするタイミングを調整するようにしたものである。このような構成とすることによって、最適タイミングで半導体スイッチ３をオフすることができる。

タイミング調整回路１６の動作を図７によって説明する。ＶＴ６で検出した入力電圧と定格電圧１７との差を加算回路１８で計算する。一方で、入力電圧の低下量と半導体スイッチ３へのオフ信号を出す最適タイミングを遅れ時間設定テーブル１９として準備する。

オフ信号を出す最適タイミングはシミュレーション、試験などで求める。加算回路１８の計算結果を遅れ時間設定テーブル１９に入力すると、電圧異常検出回路７の異常信号で双方向電力変換器４に交流電圧制御信号を出してから、半導体スイッチ３にオフ信号を出すまでの時間が出力され、それを遅延回路２０に入力することで、最適タイミングで半導体スイッチ３にオフ信号を出すことができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。図８は、実施の形態４の構成を示すブロック図である。この図において、図６と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図６と異なる点は、双方向電力変換器を複数台、並列接続すると共に、それぞれの運転状態切換を示す信号をＡＮＤ回路２２に入力し、このＡＮＤ回路２２の出力を半導体スイッチ３のオフ信号とした点である。

実施の形態３では、双方向電力変換器４が１台の場合に最適タイミングで半導体スイッチ３をオフする場合について説明したが、図８に示すように双方向電力変換器が複数台４１、４２、４３並列に接続されている場合には、各双方向電力変換器が直流電圧制御から交流電圧制御に切り換わるタイミングにばらつきが生じることが考えられる。

そこで、実施の形態４は各双方向電力変換器が交流電圧制御に切り換わると、それぞれの切換確認回路２１１、２１２、２１３から切換完了信号を発生し、各切換完了信号をタイミング調整回路１６から出力されるオフ信号と共に、ＡＮＤ回路２２でＡＮＤ条件をとって半導体スイッチ３へのオフ信号を発生するようにしたものである。

このような構成とすることによって、双方向電力変換器４１、４２、４３が交流電圧制御に切り換わるタイミングのばらつきをなくすことができる。

この発明の実施の形態１の構成を示すブロック図である。 実施の形態１の電圧異常検出回路の構成を示すブロック図である。 実施の形態１において、商用電源に長時間継続する異常が発生した時の動作状態を示すタイミングチャートである。 実施の形態１において、商用電源に短時間の異常が発生した時の動作状態を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３の構成を示すブロック図である。 実施の形態３におけるタイミング調整回路の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 商用電源、 ２ 負荷、 ３ スイッチ、 ４ 双方向変換器、 ５ 直流電源、
６ ＶＴ、 ７、８ 電圧異常検出回路、 １０、１３ 比較器、 １５ ＯＲ回路、
１６ タイミング調整回路、 １７ 基準電圧レベル、 １８ 加算回路、
１９ 遅れ時間設定テーブル、 ２０ 遅延回路、 ２２ ＡＮＤ回路、
４１、４２、４３ 双方向変換器、 ５１、５２、５３ 直流電源、
２１１、２１２、２１３ 切換確認回路。

Claims (4)

1. 商用電源と負荷との間に接続されたスイッチと、交流側端子が上記スイッチと負荷との間に接続され、直流側端子が充電可能な直流電源に接続された双方向電力変換回路と、上記商用電源の電圧を検出する電圧検出器と、上記電圧検出器の電圧信号を入力し、上記電圧信号が異常検出レベル１以下になった時、第１の異常信号を発生すると共に、第１の異常信号が所定時間継続した時、上記双方向電力変換回路を直流から交流への変換回路に切換える信号を発生する電圧異常検出回路と、上記電圧検出器の電圧信号を入力し、上記電圧信号が異常検出レベル２以下になった時、第２の異常信号を発生すると共に、第２の異常信号が別の所定時間継続した時、上記スイッチをオフにする信号を発生する電圧異常検出回路とを備え、上記異常検出レベル２は上記異常検出レベル１より低い値に設定されていることを特徴とする無停電電源装置。
2. 上記各電圧異常検出回路から発生される信号を入力とするＯＲ回路を設け、上記ＯＲ回路の出力によって上記双方向電力変換回路を直流から交流への変換回路に切換えるようにしたことを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
3. 商用電源と負荷との間に接続されたスイッチと、交流側端子が上記スイッチと負荷との間に接続され、直流側端子が充電可能な直流電源に接続された双方向電力変換回路と、上記商用電源の電圧を検出する電圧検出器と、上記電圧検出器の電圧信号を入力し、上記電圧信号が異常検出レベル以下になった時、異常信号を発生すると共に、上記異常信号が所定時間継続した時、上記双方向電力変換回路を直流から交流への変換回路に切換える信号を発生する電圧異常検出回路と、上記電圧検出器の電圧信号を入力し、この電圧と所定電圧との差が大きいほど遅れ時間が小さくなるように遅延させた信号を発生し、この信号によって上記スイッチをオフにするタイミング調整回路とを備えた無停電電源装置。
4. 商用電源と負荷との間に接続されたスイッチと、交流側端子が上記スイッチと負荷との間に接続され、直流側端子が充電可能な直流電源に接続された一台もしくは複数台の双方向電力変換回路と、上記商用電源の電圧を検出する電圧検出器と、上記電圧検出器の電圧信号を入力し、上記電圧信号が異常検出レベル以下になった時、異常信号を発生すると共に、上記異常信号が所定時間継続した時、上記一台もしくは複数台の双方向電力変換回路を直流から交流への変換回路に切換える信号を発生する電圧異常検出回路と、上記電圧検出器の電圧信号を入力し、この電圧と所定電圧との差が大きいほど遅れ時間が小さくなるように遅延させた信号を発生するタイミング調整回路とを備え、全ての双方向電力変換回路が運転状態の切換えを完了した時、上記スイッチをオフにすることを特徴とする無停電電源装置。

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