JP7136541B2

JP7136541B2 - 無停電電源装置および無停電電源装置の制御方法

Info

Publication number: JP7136541B2
Application number: JP2017132194A
Authority: JP
Inventors: 康博神
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2037-07-05
Also published as: JP2019017170A

Description

本発明は、商用電源が復電した場合に負荷への給電を切り換える無停電電源装置に関するものである。

従来より、商用電源が停電した場合に蓄電池より電力を負荷へ供給し、復電した場合に商用電源から電力を負荷に供給する無停電電源装置が知られている（特許文献１）。

無停電電源装置には、この停電および復電の際に電力の供給経路を切り換えるための切換スイッチが設けられている。

当該切換スイッチとして、負荷への電力供給に関し、無瞬断切換を実現するために半導体スイッチが利用されている（特許文献２）。

一方で、半導体スイッチの場合には、動作制約や保護の問題がある。
したがって、半導体スイッチの代わりにリレースイッチを用いることが考えられるが、リレースイッチは、リレー特性により復帰時間が半導体スイッチよりも時間がかかるという課題が有る。

したがって、復電の際にリレースイッチをオンした場合に、リレースイッチが完全にオンにならずに、商用電源の電力が十分に負荷に供給されない可能性がある。

特開平１０－５１９７７号公報特開２００９－１３６０９９号公報

本発明は、上記のような問題を解消するためなされたもので、リレースイッチを有する無停電電源装置に関し、復電の際に無瞬断切換が可能な無停電電源装置および無停電電源装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある局面に従う無停電電源装置は、第１の交流電圧を入力するための交流入力端子と、負荷を接続する交流出力端子と、第１の交流電圧を負荷に選択的に供給するために交流入力端子と交流出力端子との間に接続されたリレースイッチと、直流電圧を供給する蓄電池と、第２の交流電圧を得るために蓄電池と交流出力端子との間に接続された直流交流変換回路と、第１の交流電圧の復電状態を検知する検知回路と、検知回路の検知結果に基づいて、直流交流変換回路から得られた第２の交流電圧を負荷に供給する第１の状態から交流入力端子の第１の交流電圧を負荷に供給する第２の状態に切換を実行するための制御回路とを備える。制御回路は、検知回路の検知結果に基づいて第２の交流電圧が第１の交流電圧に同期するように調整し、第２の交流電圧が第１の交流電圧に同期した場合にリレースイッチをオンし、リレースイッチをオンした後、所定期間経過後に直流交流変換回路を停止させる。

好ましくは、制御回路は、第２の交流電圧の位相および振幅が第１の交流電圧の位相および振幅に同期するように調整する。

好ましくは、検知回路は、第１の交流電圧の遮断状態をさらに検知する。制御回路は、第１の交流電圧の遮断状態の検知結果に基づいてリレースイッチをオフし、交流入力端子の第１の交流電圧を負荷に供給する第２の状態から直流交流変換回路から得られた第２の交流電圧を負荷に供給する第１の状態に切換を実行する。

好ましくは、所定期間は、リレースイッチのリレー特性に応じた期間に設定される。
本発明のある局面に従う無停電電源装置の制御方法は、第１の交流電圧を入力するための交流入力端子と、負荷を接続する交流出力端子と、第１の交流電圧を負荷に選択的に供給するために交流入力端子と交流出力端子との間に接続されたリレースイッチと、直流電圧を供給する蓄電池と、第２の交流電圧を得るために蓄電池と交流出力端子との間に接続された直流交流変換回路とを備える、無停電電源装置の制御方法であって、第１の交流電圧の復電状態を検知するステップと、復電状態の検知結果に基づいて、直流交流変換回路から得られた第２の交流電圧を負荷に供給する第１の状態から交流入力端子の第１の交流電圧を負荷に供給する第２の状態に切換を実行するステップとを備える。切換を実行するステップは、第２の交流電圧が第１の交流電圧に同期するように調整するステップと、第２の交流電圧が第１の交流電圧に同期した場合にリレースイッチをオンするステップと、リレースイッチをオンした後、所定期間経過後に直流交流変換回路を停止させるステップとを含む。

本発明の無停電電源装置は、復電の際に無瞬断切換が可能である。

実施形態に基づく無停電電源装置１について説明する図である。実施形態に基づく無停電電源装置１における切換制御を説明する図である。実施形態に基づく停電時の無停電電源装置１の動作について説明するフロー図である。実施形態に基づく復電時の無停電電源装置１の動作について説明するフロー図である。

本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、実施形態に基づく無停電電源装置１について説明する図である。

図１を参照して、無停電電源装置１は、交流入力端子ＩＰと、交流出力端子ＯＰと、交流入力端子ＩＰと交流出力端子ＯＰとの間に設けられたリレースイッチ２と、リレースイッチ２を駆動するリレー回路４と、蓄電池６と、電源状態検出回路８と、無停電電源装置１全体を制御する制御回路１０と、インバータ１４と、インバータ１４を制御するインバータ制御回路１６と、振幅および位相判定回路１８とを含む。

交流入力端子ＩＰは、商用電源１２と接続される。交流出力端子ＯＰは、負荷１１と接続される。

リレー回路４は、制御回路１０からの指示に従ってリレースイッチ２を駆動する。本例においては、リレー回路４は、制御回路１０からの指示に従って商用電源１２の停電時にリレースイッチ２をオフ（非導通）し、商用電源１２の復電時にリレースイッチをオン（導通）する。これにより商用電源１２の停電時には、リレースイッチ２はオフするため商用電源１２から負荷１１に対する交流電圧の供給が停止する。一方、商用電源１２の復電時には、リレースイッチ２はオンするため商用電源１２から負荷１１に対する交流電圧の供給が再開される。

電源状態検出回路８は、交流入力端子ＩＰに入力される交流電圧に基づいて、商用電源１２の状態を検出し、検出結果を制御回路１０に出力する。

インバータ１４は、インバータ制御回路１６からの指示に従って蓄電池６からの直流電圧の供給を受けて、交流電圧に変換して出力する。本例においては、商用電源１２の停電時には、インバータ１４が起動され、商用電源１２の代わりに蓄電池６からの交流電圧が負荷１１に対して供給される。一方、商用電源１２の復電時には、インバータ１４が停止され、商用電源１２からの交流電圧が負荷１１に対して供給される。

振幅および位相判定回路１８は、制御回路１０からの指示に従って交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧と、インバータ１４から出力される交流電圧との振幅および位相とを比較し、比較結果をインバータ制御回路１６および制御回路１０に出力する。

インバータ制御回路１６は、制御回路１０からの指示に従ってインバータ１４を制御し、インバータ１４から出力される交流電圧の振幅および位相を調整する。具体的には、インバータ制御回路１６は、振幅および位相判定回路１８から出力される振幅および位相の比較結果に基づいて、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧に同期するようにインバータ１４から出力される交流電圧の振幅および位相を調整する。

インバータ制御回路１６は、ＰＬＬ（phase locked loop）回路を含み、振幅および位相判定回路１８から出力される交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧と、インバータ１４から出力される交流電圧との位相ずれを当該ＰＬＬ回路を用いて調整する。ＰＬＬ回路は、インバータ１４から出力される交流電圧の位相を調整することにより交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧と同期させることが可能である。

また、振幅および位相判定回路１８は、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧と、インバータ１４から出力される交流電圧との振幅の差分を検出し、検出結果をインバータ制御回路１６に出力する。インバータ制御回路１６は、振幅および位相判定回路１８から出力される振幅の差分に基づいて、インバータ１４から出力される交流電圧の振幅の基準値を調整する。たとえば、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧の振幅がインバータ１４から出力される交流電圧の振幅よりも大きければ基準値を「＋１」調整する。交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧の振幅がインバータ１４から出力される交流電圧の振幅よりも小さければ基準値を「－１」調整する。当該調整により交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧とインバータ１４から出力される交流電圧の振幅を同期させることが可能である。

制御回路１０は、電源状態検出回路８で検出された商用電源１２の状態に基づいて、リレー回路４、インバータ制御回路１６および振幅および位相判定回路１８を制御する。

図２は、実施形態に基づく無停電電源装置１における切換制御を説明する図である。
図２に示されるように、商用電源１２から正常に商用交流電圧が供給されている間は、リレースイッチ２はオンしている。この場合、制御回路１０は、インバータ１４を起動させない。

次に、時刻ｔ０において、商用電源１２からの商用交流電圧が停電した場合が示されている。電源状態検出回路８は、商用電源１２からの商用交流電圧の停電を検知して、停電検知信号（ＯＮ）を制御回路１０に出力する。

これに伴い、制御回路１０は、リレースイッチ２をオフするとともに、リレースイッチ２がオフする時刻ｔ１までの所定期間経過後にインバータ１４を起動する。具体的には、制御回路１０は、インバータ起動信号をインバータ制御回路１６に出力する。インバータ制御回路１６は、制御回路１０からのインバータ起動信号に応答してインバータ１４を制御する。インバータ１４は、蓄電池６からの直流電圧を交流電圧に変換して出力する。インバータ１４から供給された交流電圧は、交流出力端子ＯＰを介して負荷１１に供給される。

次に、時刻ｔ２において、商用電源１２からの商用交流電圧が復電した場合が示されている。電源状態検出回路８は、商用電源１２からの商用交流電圧の復電を検知して、所定期間において商用交流電圧が安定して検出されているか否かを判断する。電源状態検出回路８は、時刻ｔ２から所定期間経過後の時刻ｔ３において停電検知信号（ＯＦＦ）を制御回路１０に出力する。

これに伴い、振幅および位相判定回路１８は、復電した商用交流電圧と、インバータ１４から出力される交流電圧との振幅および位相とを比較し、比較結果をインバータ制御回路１６および制御回路１０に出力する。

インバータ制御回路１６は、位相判定回路１８からの比較結果に基づいて、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧の振幅および位相に同期するようにインバータ１４から出力される交流電圧の振幅および位相を調整する。本例においては、インバータ制御回路１６は、期間Ｔ１の区間においてインバータ１４から出力される交流電圧を交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧に同期させた場合が示されている。

制御回路１０は、振幅および位相判定回路１８からの比較結果に基づきインバータ１４から出力される交流電圧が交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧に同期したと判断した場合に、時刻ｔ４においてリレースイッチ２をオンする。

これにより、リレースイッチ２を介して商用電源１２からの商用交流電圧と、インバータ１４からの交流電圧とがともに負荷１１に供給される。

そして、制御回路１０は、リレースイッチ２をオンしてから所定期間経過後に、インバータ１４の起動を停止させる。本例においては、時刻ｔ５において、制御回路１０は、インバータ制御回路１６へのインバータ起動信号を停止させた場合が示されている。

これにより、負荷１１に対しては、商用電源１２から商用交流電圧が供給される。
なお、商用電源１２に停電および復電が生じた場合には上記と同様の処理を繰り返す。

本例においては、制御回路１０は、振幅および位相判定回路１８からの比較結果に基づきインバータ１４から出力される交流電圧が交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧に同期したと判断した場合に、リレースイッチ２をオンするが、それとともにインバータ１４の起動を停止させない。所定期間、商用電源１２からの商用交流電圧と、インバータ１４からの交流電圧とがともに同じ位相および振幅の状態で負荷１１に供給可能な状態としている。リレースイッチ２は、リレー特性により動作時間がかかり、また、接点バウンスも発生するためリレースイッチ２をオンした際には、完全にオンになっていない可能性がある。したがって、リレースイッチ２のオンと同時に仮にインバータ１４をすぐに停止した場合には、リレースイッチ２を介する商用交流電圧の供給が十分ではなく、負荷１１に十分な電力が供給されず負荷１１に影響を与えてしまう可能性がある。

本例においては、リレースイッチ２が完全にオンするまで所定期間、インバータ１４と並列に動作させることにより復電時における負荷１１への無瞬断切換が可能となる。また、負荷１１に対する給電の信頼性を向上させることが可能である。

また、商用交流電圧にインバータ１４からの交流電圧の位相と交流電圧の振幅と同期させた状態でリレースイッチ２をオンするため、切換の際の位相のずれまたは振幅の相違等により過電流が流れることも抑制することが可能である。

図３は、実施形態に基づく停電時の無停電電源装置１の動作について説明するフロー図である。

図３に示されるように、無停電電源装置１は、停電を検知したか否かを判断する（ステップＳ２）。具体的には、電源状態検出回路８は、商用電源１２からの商用交流電圧の停電を検知する。

次に、ステップＳ２において、無停電電源装置１は、停電を検知した場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）には、リレースイッチ２をオフする（ステップＳ４）。具体的には、電源状態検出回路８は、停電を検知した場合には、停電検知信号（ＯＮ）を制御回路１０に出力する。制御回路１０は、停電検知信号（ＯＮ）に従ってリレー回路４に指示し、リレー回路４は、リレースイッチ２をオフする。

一方、ステップＳ２において、無停電電源装置１は、停電を検知しない場合（ステップＳ２においてＮＯ）には、ステップＳ２の状態を維持する。

次に、無停電電源装置１は、所定期間が経過したか否かを判断する（ステップＳ５）。具体的には、制御回路１０は、停電検知信号（ＯＮ）が入力されてから所定期間が経過したか否かを判断し、所定期間が経過するまでステップＳ５の状態を維持する。当該所定期間は、リレー回路４がリレースイッチ２を完全にオフするまでの時間に設定される。

次に、無停電電源装置１は、所定期間が経過したと判断した場合（ステップＳ５においてＹＥＳ）には、インバータ１４を起動する（ステップＳ６）。具体的には、制御回路１０は、停電検知信号（ＯＮ）が入力されてから所定期間が経過したと判断した場合にインバータ制御回路１６にインバータ起動信号（ＯＮ）を出力する。これに伴い、インバータ制御回路１６は、インバータ１４を起動して蓄電池６からの直流電圧を交流電圧に変換して負荷１１に出力する。

次に、無停電電源装置１は、停電時の処理を終了する（エンド）。
図４は、実施形態に基づく復電時の無停電電源装置１の動作について説明するフロー図である。

図４に示されるように、無停電電源装置１は、商用交流電圧を検知したか否かを判断する（ステップＳ１０）。具体的には、電源状態検出回路８は、商用電源１２からの商用交流電圧の入力を検知する。

次に、ステップＳ１０において、無停電電源装置１は、商用交流電圧を検知した場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）には、所定期間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１１）。具体的には、電源状態検出回路８は、商用交流電圧が所定期間継続して検知されているか否かを判断する。

ステップＳ１１において、無停電電源装置１は、商用交流電圧を検知した場合に所定期間が経過していないと判断した場合（ステップＳ１１においてＮＯ）には、ステップＳ１０に戻る。所定期間が経過するまで当該状態を繰り返す。

一方、ステップＳ１１において、無停電電源装置１は、商用交流電圧を検知した場合に所定期間が経過したと判断した場合（ステップＳ１１においてＹＥＳ）には、復電と判断する（ステップＳ１２）。具体的には、電源状態検出回路８は、商用交流電圧が所定期間継続して検知された場合に復電と判断する。そして、電源状態検出回路８は、停電検知信号（ＯＦＦ）を制御回路１０に出力する。

次に、無停電電源装置１は、復電した商用交流電圧と、インバータ１４から出力される交流電圧との振幅および位相とを比較する（ステップＳ１３）。具体的には、制御回路１０は、停電検知信号（ＯＦＦ）の入力に従って振幅および位相判定回路１８に指示し、振幅および位相判定回路１８において、復電した商用交流電圧と、インバータ１４から出力される交流電圧との振幅および位相とを比較する。振幅および位相判定回路１８は、比較結果をインバータ制御回路１６および制御回路１０に出力する。

次に、無停電電源装置１は、比較結果に基づいてインバータ１４から出力される交流電圧の同期調整を実行する（ステップＳ１４）。具体的には、インバータ制御回路１６は、振幅および位相判定回路１８からの比較結果に基づいて、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧の位相および振幅に同期するようにインバータ１４から出力される交流電圧の振幅および位相を調整する。

次に、無停電電源装置１は、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧の位相および振幅と、インバータ１４から出力される交流電圧の振幅および位相とが同期したか否かを判断する（ステップＳ１６）。具体的は、制御回路１０は、振幅および位相判定回路１８からの比較結果に基づいて、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧の位相および振幅と、インバータ１４から出力される交流電圧の振幅および位相とが同期したかを判断する。

ステップＳ１６において、無停電電源装置１は、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧の位相および振幅と、インバータ１４から出力される交流電圧の振幅および位相とが同期したと判断した場合（ステップＳ１６においてＹＥＳ）には、リレースイッチ２をオンする（ステップＳ１８）。具体的には、制御回路１０は、リレー回路４に指示し、リレー回路４は、リレースイッチ２をオンする。

一方、ステップＳ１６において、無停電電源装置１は、交流入力端子ＩＰから入力される交流電圧の位相および振幅と、インバータ１４から出力される交流電圧の振幅および位相とが同期したと判断しない場合（ステップＳ１６においてＮＯ）には、ステップＳ１２に戻り、上記処理を繰り返す。

次に、無停電電源装置１は、所定期間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２０）。具体的には、制御回路１０は、リレースイッチ２をオンしてから所定期間が経過したか否かを判断する。

ステップＳ２０において、無停電電源装置１は、所定期間が経過するまでステップＳ２０の状態を維持（ステップＳ２０においてＮＯ）し、所定期間が経過したと判断した場合（ステップＳ２０においてＹＥＳ）には、インバータ１４を停止する（ステップＳ２２）。具体的には、制御回路１０は、リレースイッチ２をオンしてから所定期間が経過したと判断した場合にインバータ制御回路１６に対してインバータ１４の停止を指示する。当該所定期間は、リレー回路４がリレースイッチ２を完全にオンするまでの時間に設定される。

そして、無停電電源装置１は、復電時の処理を終了する（エンド）。
本例においては、リレースイッチ２が完全にオンするまで所定期間、インバータ１４と並列に動作させることにより復電時における無瞬断切換が可能であり、負荷への給電の信頼性を向上させることが可能である。

なお、所定期間は、リレースイッチ２のリレー特性に応じた任意の期間に設定することが可能である。

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、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。

１無停電電源装置、２リレースイッチ、４リレー回路、６蓄電池、８電源状態検出回路、１０制御回路、１１負荷、１２商用電源、１４インバータ、１６インバータ制御回路、１８位相判定回路、ＩＰ交流入力端子、ＯＰ交流出力端子。

Claims

第１の交流電圧を入力するための交流入力端子と、
負荷を接続する交流出力端子と、
前記第１の交流電圧を前記負荷に選択的に供給するために前記交流入力端子と前記交流出力端子との間に接続されたリレースイッチと、
直流電圧を供給する蓄電池と、
第２の交流電圧を得るために前記蓄電池と前記交流出力端子との間に接続された直流交流変換回路と、
前記第１の交流電圧の復電状態を検知する検知回路と、
前記検知回路の検知結果に基づいて、前記直流交流変換回路から得られた前記第２の交流電圧を前記負荷に供給する第１の状態から前記交流入力端子の前記第１の交流電圧を前記負荷に供給する第２の状態に切換を実行するための制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記検知回路の検知結果に基づいて前記第２の交流電圧が前記第１の交流電圧に同期するように調整し、
前記第２の交流電圧が前記第１の交流電圧に同期した場合に前記リレースイッチをオンし、
前記リレースイッチをオンした後、所定期間が経過したか否かを判断し、
前記所定期間が経過したと判断した場合に前記直流交流変換回路を停止させ、
前記所定期間は、前記リレースイッチのリレー特性に応じた期間に設定される、無停電電源装置。
前記制御回路は、前記第２の交流電圧の位相および振幅が前記第１の交流電圧の位相および振幅に同期するように調整する、請求項１記載の無停電電源装置。
前記検知回路は、前記第１の交流電圧の遮断状態をさらに検知し、
前記制御回路は、
前記第１の交流電圧の遮断状態の検知結果に基づいて前記リレースイッチをオフし、
前記交流入力端子の前記第１の交流電圧を前記負荷に供給する前記第２の状態から前記直流交流変換回路から得られた前記第２の交流電圧を前記負荷に供給する前記第１の状態に切換を実行する、請求項１記載の無停電電源装置。
第１の交流電圧を入力するための交流入力端子と、負荷を接続する交流出力端子と、前記第１の交流電圧を前記負荷に選択的に供給するために前記交流入力端子と前記交流出力端子との間に接続されたリレースイッチと、直流電圧を供給する蓄電池と、第２の交流電圧を得るために前記蓄電池と前記交流出力端子との間に接続された直流交流変換回路とを備える、無停電電源装置の制御方法であって、
前記第１の交流電圧の復電状態を検知するステップと、
前記復電状態の検知結果に基づいて、前記直流交流変換回路から得られた前記第２の交流電圧を前記負荷に供給する第１の状態から前記交流入力端子の前記第１の交流電圧を前記負荷に供給する第２の状態に切換を実行するステップとを備え、
前記切換を実行するステップは、
前記第２の交流電圧が前記第１の交流電圧に同期するように調整するステップと、
前記第２の交流電圧が前記第１の交流電圧に同期した場合に前記リレースイッチをオンするステップと、
前記リレースイッチをオンした後、所定期間が経過したか否かを判断し、
前記所定期間が経過したと判断した場合に前記直流交流変換回路を停止させるステップとを含み、
前記所定期間は、前記リレースイッチのリレー特性に応じた期間に設定される、無停電電源装置の制御方法。