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KR102699855B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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KR102699855B1
KR102699855B1 KR1020227023508A KR20227023508A KR102699855B1 KR 102699855 B1 KR102699855 B1 KR 102699855B1 KR 1020227023508 A KR1020227023508 A KR 1020227023508A KR 20227023508 A KR20227023508 A KR 20227023508A KR 102699855 B1 KR102699855 B1 KR 102699855B1
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가부시키가이샤 티마이크
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Abstract

이 무정전 전원 장치(1)는, 상용 교류 전원(21)의 정전시에, 배터리(22)로부터 공급되는 제 1 직류 전압(VB)을 제 2 직류 전압(VDC)으로 변환하여 인버터(8)에 공급하는 쌍방향 초퍼(5)를 구비한다. 쌍방향 초퍼는, 제 2 직류 전압을 안정화시키는 콘덴서(C11, C12)를 포함한다. 이 무정전 전원 장치는, 배터리의 출력 전류(Ib)를 검출하는 전류 검출기(6)와, 전류 검출기의 검출 결과에 근거하여, 소정 시간(Δt)이 경과할 때마다 콘덴서의 온도 상승 추정치(Ta)를 산출하고, 산출한 온도 상승 추정치가 상한치(Th)보다 높은 경우에 쌍방향 초퍼의 운전을 정지시키는 제어 회로(7)를 더 구비한다.

Description

전력 변환 장치
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히, 초퍼의 출력 전압을 안정화시키는 콘덴서를 구비하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
예를 들어 국제 공개 제 2010/100737호 명세서(특허문헌 1)에는, 직류 전원으로부터 공급되는 제 1 직류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환하여 직류 부하에 공급하는 초퍼와, 제 2 직류 전압을 안정화시키는 콘덴서를 구비하는 전력 변환 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 국제 공개 제 2010/100737호 명세서
이러한 전력 변환 장치에서는, 초퍼의 운전을 개시하면, 콘덴서의 온도가 서서히 상승한다. 콘덴서의 온도 상승치가 상한치를 초과하면, 열폭주가 발생하여 콘덴서가 파손한다. 종래는, 콘덴서의 파손을 방지하기 위해, 콘덴서의 온도 상승 포화치가 상한치를 초과하지 않도록, 대용량의 콘덴서를 사용하고 있었다. 이 때문에, 장치가 대형화, 고비용화한다고 하는 문제가 있었다.
그러므로, 본 발명의 주된 목적은, 소형이고 저비용의 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치는, 직류 전원으로부터 공급되는 제 1 직류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환하여 직류 부하에 공급하는 초퍼와, 제 2 직류 전압을 안정화시키는 콘덴서와, 직류 전원의 출력 전류를 검출하는 전류 검출기와, 전류 검출기의 검출 결과에 근거하여, 미리 정해진 시간이 경과할 때마다 콘덴서의 온도 상승치를 추정하고, 추정한 온도 상승치가 상한치보다 높은 경우에 초퍼의 운전을 정지시키는 제어 회로를 구비한 것이다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치에서는, 전류 검출기의 검출 결과에 근거하여, 소정 시간이 경과할 때마다 콘덴서의 온도 상승치를 추정하고, 추정한 온도 상승치가 상한치보다 높은 경우에 초퍼의 운전을 정지시킨다. 따라서, 소용량의 콘덴서를 사용할 수 있고, 장치의 소형화, 저비용화를 도모할 수 있다.
도 1은 실시의 형태 1에 따른 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 쌍방향 초퍼의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 제어 회로(7)의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 도 3에 나타내는 방전 판정기의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 기억부의 기억 내용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에 나타내는 전해 콘덴서의 온도 상승치의 시간 변화를 나타내는 타임 차트이다.
도 7은 도 5 및 도 6에서 설명하는 실험 결과를 예시하는 도면이다.
도 8은 도 7에 나타내는 직류 전류와 온도 상승 포화치의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 4에 나타내는 연산부의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 10은 도 4에 나타내는 방전 판정기의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 11은 도 3에 나타내는 PWM 제어부의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 12는 도 11에 나타내는 PWM 제어부의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 13은 실시의 형태 2에 따른 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 14는 도 13에 나타내는 쌍방향 초퍼의 구성을 나타내는 회로도이다.
［실시의 형태 1］
도 1은, 실시의 형태 1에 의한 무정전 전원 장치(1)의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 도 1에 있어서, 이 무정전 전원 장치(1)는, 전류 검출기(2, 6, 9), 컨버터(3), 직류 라인 L1~L3, 콘덴서 C1, C2, 11, 제어 회로(4, 7, 14), 쌍방향 초퍼(5), 인버터(8), 리액터(10), 및 전자 접촉기(12, 13)를 구비한다.
이 무정전 전원 장치(1)는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 상용 주파수의 교류 전력에 의해 구동된다. 상용 교류 전원(21)으로부터의 공급되는 교류 입력 전압 Vi의 순간치는, 제어 회로(4)에 의해 검출된다. 전류 검출기(2)는, 상용 교류 전원(21)으로부터 컨버터(3)에 흐르는 교류 입력 전류 Ii를 검출하고, 그 검출치를 나타내는 신호 Iif를 제어 회로(4)에 부여한다.
컨버터(3)(순변환기)는, 제어 회로(4)에 의해 제어되고, 상용 교류 전원(21)으로부터 교류 전력이 정상으로 공급되고 있는 경우(상용 교류 전원(21)의 건전시)에는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인 L1, L2, L3에 출력한다. 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지된 경우(상용 교류 전원(21)의 정전시)에는, 컨버터(3)의 운전은 정지된다.
컨버터(3)는, 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi에 근거하여 3 레벨의 직류 전압 Vdc1, Vdc2, Vdc3을 생성하고, 직류 전압 Vdc1~Vdc3을 각각 직류 라인 L1~L3에 출력한다. 직류 전압 Vdc1은 정전압이며, 직류 전압 Vdc2는 부전압이며, 직류 전압 Vdc3은 접지 전압(0V)이다. VDC1=Vdc1-Vdc3이며, VDC2=Vdc3-Vdc2이며, VDC1=VDC2이다. Vdc1-Vdc2=VDC로 하면, VDC1＋VDC2=VDC이다.
콘덴서 C1은, 직류 라인 L1, L3간에 접속되고, 직류 라인 L1, L3간의 직류 전압 VDC1을 평활화시킨다. 콘덴서 C2는, 직류 라인 L3, L2간에 접속되고, 직류 라인 L3, L2간의 직류 전압 VDC2를 평활화시킨다. 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC의 순간치는, 제어 회로(4)에 의해 검출된다.
제어 회로(4)는, 교류 입력 전압 Vi의 검출치에 근거하여 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생했는지 여부를 검출한다. 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 제어 회로(4)는, 교류 입력 전압 Vi, 교류 입력 전류 Ii, 및 직류 전압 VDC에 근거하여, 직류 전압 VDC가 소정의 참조 직류 전압 VDCr(예를 들어, 660V)가 되도록 컨버터(3)를 제어한다. 상용 교류 전원(21)의 정전시에는, 제어 회로(4)는, 컨버터(3)의 운전을 정지시킨다.
직류 라인 L1, L2, L3은, 인버터(8)에 접속되고, 또한, 쌍방향 초퍼(5)의 고전압측 노드(5a, 5b, 5c)에 각각 접속된다. 쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5d, 5e)는, 각각 배터리(22)의 정극 및 부극에 접속된다. 배터리(22)(전력 저장 장치)는, 직류 전력을 저장한다.
쌍방향 초퍼(5)는, 제어 회로(7)에 의해 제어되고, 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력을 배터리(22)에 저장하고, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것에 따라, 배터리(22)의 직류 전력을 직류 라인 L1~L3을 거쳐 인버터(8)에 공급한다.
직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC의 순간치는, 제어 회로(7)에 의해 검출된다. 직류 라인 L1, L3간의 직류 전압 VDC1의 순간치와, 직류 라인 L3, L2간의 직류 전압 VDC2의 순간치를 가산하여, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC의 순간치를 구해도 상관없다.
전류 검출기(6)는, 쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5d)와 배터리(22)의 정극 사이에 흐르는 직류 전류 Ib를 검출하고, 그 검출치를 나타내는 신호 Ibf를 제어 회로(7)에 부여한다. 배터리(22)의 단자간 전압 VB의 순간치는, 제어 회로(7)에 의해 검출된다.
제어 회로(7)는, 직류 전압 VDC, 직류 전류 Ib, 및 배터리(22)의 단자간 전압 VB에 근거하여, 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다. 제어 회로(7)는, 직류 전류 Ib의 극성에 근거하여, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생했는지 여부를 판별한다.
제어 회로(7)는, 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력이 배터리(22)에 저장되고, 또한 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 소정의 참조 직류 전압 VBr(예를 들어, 480V)가 되도록 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다.
또, 제어 회로(7)는, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것에 따라, 배터리(22)의 직류 전력이 인버터(8)에 공급되고, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 소정의 참조 직류 전압 VDCr(예를 들어, 660V)가 되도록 쌍방향 초퍼(5)를 제어한다.
또, 제어 회로(7)는, 직류 전류 Ib와, 쌍방향 초퍼(5)에 포함되는 콘덴서의 온도 상승의 시정수와, 콘덴서의 온도 상승 포화치의 관계를 나타내는 정보를 기억하고 있다. 제어 회로(7)는, 상용 교류 전원(21)의 정전시에는, 직류 전원 Ib와 기억한 정보에 근거하여, 소정 시간이 경과할 때마다 콘덴서의 온도 상승 추정치를 산출하고, 산출한 온도 상승 추정치가 상한치를 초과한 경우에는, 쌍방향 초퍼(5)의 운전을 정지한다.
인버터(8)는, 제어 회로(14)에 의해 제어되고, 컨버터(3) 또는 쌍방향 초퍼(5)로부터 직류 라인 L1~L3을 거쳐 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 즉, 인버터(8)는, 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 컨버터(3)로부터 직류 라인 L1~L3을 거쳐 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것에 따라, 배터리(22)로부터 쌍방향 초퍼(5)를 거쳐 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 인버터(8)의 교류 출력 전압은, 소망의 값으로 제어 가능하게 되어 있다.
이 때, 인버터(8)는, 직류 라인 L1~L3의 직류 전압 Vdc1~Vdc3에 근거하여, 교류 출력 전압 Vo를 생성한다. 제어 회로(14)는, 교류 출력 전압 Vo 및 교류 출력 전류 Io에 근거하여, 교류 출력 전압 Vo가 소정의 참조 교류 전압 Vor가 되도록 인버터(8)를 제어한다.
인버터(8)의 출력 노드는 리액터(10)의 한쪽 단자에 접속되고, 리액터(10)의 다른 쪽 단자(노드 N1)는 전자 접촉기(12)를 거쳐 부하(23)에 접속된다. 콘덴서(11)는, 노드 N1과 직류 라인 L3 사이에 접속된다. 부하(23)의 접지 단자(23a)는, 직류 라인 L3에 접속된다.
리액터(10) 및 콘덴서(11)는, 저역 통과 필터를 구성하고, 인버터(8)에서 생성된 상용 주파수의 교류 전력을 부하(23)에 통과시키고, 인버터(8)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호가 부하(23)에 통과하는 것을 방지한다. 인버터(8), 리액터(10), 및 콘덴서(11)는 역변환기를 구성한다. 인버터(8), 리액터(10), 콘덴서(11), 및 부하(23)(교류 부하)는, 직류 부하를 구성한다.
전류 검출기(9)는, 인버터(8)의 출력 전류 Io의 순간치를 검출하고, 그 검출치를 나타내는 신호 Iof를 제어 회로(14)에 부여한다. 노드 N1에 나타나는 교류 출력 전압 Vo의 순간치는, 제어 회로(14)에 의해 검출된다. 제어 회로(14)는, 교류 출력 전압 Vo 및 교류 출력 전류 Io에 근거하여, 교류 출력 전압 Vo가 소정의 참조 교류 전압 Vor가 되도록 인버터(8)를 제어한다.
전자 접촉기(12)는, 인버터(8)에 의해 생성된 교류 전력을 부하(23)에 공급하는 인버터 급전 모드시에는 온되고, 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력을 부하(23)에 공급하는 바이패스 급전 모드시에는 오프된다.
전자 접촉기(13)는, 상용 교류 전원(21)과 부하(23) 사이에 접속되고, 인버터 급전 모드시에는 오프되고, 바이패스 급전 모드시에는 온된다. 또, 인버터 급전 모드시에 있어서 인버터(8)가 고장난 경우에는, 전자 접촉기(13)가 온되고, 또한 전자 접촉기(12)가 오프되고, 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력이 부하(23)에 공급된다.
도 2는, 쌍방향 초퍼(5)의 구성을 나타내는 회로도이다. 도 2에 있어서, 쌍방향 초퍼(5)는, IGBT Q1~Q4, 다이오드 D1~D4, 리액터 X1, X2, 및 콘덴서 C11, C12를 포함한다.
IGBT Q1의 콜렉터는 고전압측 노드(5a)에 접속되고, 그 이미터는 리액터 X1을 거쳐 저전압측 노드(5d)에 접속되고, 또한, IGBT Q2의 콜렉터에 접속된다. IGBT Q2의 이미터는, 고전압측 노드(5c)에 접속되고, 또한, IGBT Q3의 콜렉터에 접속된다. IGBT Q3의 이미터는 리액터 X2를 거쳐 저전압측 노드(5e)에 접속되고, 또한, IGBT Q4의 콜렉터에 접속된다. IGBT Q4의 이미터는, 고전압측 노드(5b)에 접속된다.
다이오드 D1~D4는, 각각 IGBT Q1~Q4에 역병렬로 접속된다. 콘덴서 C11은, 고전압측 노드(5a, 5c)간에 접속되고, 고전압측 노드(5a, 5c)간의 직류 전압 VDC1을 안정화시킨다. 콘덴서 C12는, 고전압측 노드(5c, 5b)간에 접속되고, 고전압측 노드(5c, 5b)간의 직류 전압 VDC2를 안정화시킨다.
IGBT Q1(제 1 스위칭 소자) 및 IGBT Q4(제 4 스위칭 소자)는, 상용 교류 전원(21)의 건전시에, 소정 주파수에서 온 및 오프되고, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력을 배터리(22)에 저장한다. 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, IGBT Q2, Q3은 오프 상태로 고정된다.
IGBT Q1, Q4는, 제어 회로(7)로부터의 게이트 신호 S1에 의해 제어된다. 게이트 신호 S1은, 소정 주파수에서 교대로 「H」 레벨 및 「L」 레벨로 된다. 게이트 신호 S1이 「H」 레벨로 되면 IGBT Q1, Q4가 온하고, 게이트 신호 S1이 「L」 레벨로 되면 IGBT Q1, Q4가 오프한다.
상용 교류 전원(21)의 건전시에 있어서, VDC＞VB인 경우에 IGBT Q1, Q4가 온되면, 직류 라인 L1로부터 IGBT Q1, 리액터 X1, 배터리(22), 리액터 X2, 및 IGBT Q4를 거쳐 직류 라인 L2에 이르는 경로에 전류 Ib가 흐르고, 배터리(22)가 충전되고, 또한, 리액터 X1, X2에 전자 에너지가 저장된다.
IGBT Q1, Q4가 오프되면, 리액터 X1의 한쪽 단자(배터리(22)측의 단자)로부터 배터리(22), 리액터 X2, 및 다이오드 D3, D2를 거쳐 리액터 X1의 다른 쪽 단자에 이르는 경로에서 전류가 흐르고, 배터리(22)가 충전되고, 또한, 리액터 X1, X2의 전자 에너지가 방출된다.
게이트 신호 S1이 「H」 레벨로 되는 시간(펄스폭)과 1 주기의 비는, 듀티비로 불린다. 게이트 신호 S1의 듀티비를 조정하는 것에 의해, 배터리(22)의 단자간 전압 VB를 소정의 참조 직류 전압 VBr로 조정하는 것이 가능해지고 있다. 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC=VDC1＋VDC2는 강압되어 배터리(22)에 부여되고, VB＜VDC가 된다.
IGBT Q2(제 2 스위칭 소자) 및 IGBT Q3(제 3 스위칭 소자)는, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것에 따라, 소정 주파수에서 온 및 오프되고, 배터리(22)의 직류 전력을 인버터(8)에 공급한다.
IGBT Q2, Q3은, 제어 회로(7)로부터의 게이트 신호 S2에 의해 제어된다. 게이트 신호 S2는, 일정 주파수에서 교대로 「H」 레벨 및 「L」 레벨로 된다. 게이트 신호 S2가 「H」 레벨로 되면 IGBT Q2, Q3이 온하고, 게이트 신호 S2가 「L」 레벨로 되면 IGBT Q2, Q3이 오프한다.
상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지되어, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 배터리(22)의 단자간 전압 VB보다 저하하면, IGBT Q1, Q4가 오프 상태로 고정되고, 또한, IGBT Q2, Q3의 온 및 오프가 개시된다.
IGBT Q2, Q3이 온되면, 배터리(22)의 정극으로부터 리액터 X1, IGBT Q2, Q3, 및 리액터 X2를 거쳐 배터리(22)의 부극에 전류가 흐르고, 리액터 X1, X2에 전자 에너지가 저장된다. IGBT Q2, Q3이 오프되면, 리액터 X1로부터 IGBT Q2에 흐르고 있던 전류가 리액터 X1로부터 다이오드 D1에 전류(轉流)되고, 콘덴서 C11, C12, 다이오드 D4, 및 리액터 X2를 거쳐 배터리(22)의 부극에 흐르고, 콘덴서 C11, C12가 충전되고, 또한, 리액터 X1, X2의 전자 에너지가 방출된다.
게이트 신호 S2가 「H」 레벨로 되는 시간(펄스폭)과 1 주기의 비는, 듀티비로 불린다. 게이트 신호 S2의 듀티비를 조정하는 것에 의해, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC=VDC1＋VDC2를 소정의 참조 직류 전압 VDCr로 조정하는 것이 가능해지고 있다. 배터리(22)의 단자간 전압 VB는 승압되어 직류 라인 L1, L2 간에 부여되고, VB＜VDC가 된다.
IGBT Q1~Q4, 다이오드 D1~D4, 및 리액터 X1, X2는, 상용 교류 전원(21)의 정전시에, 직류 전압 VB를 직류 전압 VDC로 변환하는 초퍼를 구성하고, C11, C12는 초퍼의 출력 전압을 안정화시키는 콘덴서를 구성한다.
제어 회로(7)는, 전류 검출기(6)의 출력 신호 Ibf에 근거하여, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생했는지 여부를 검지한다. 즉, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하면, 컨버터(3)의 운전이 정지되고, 콘덴서 C1, C2, C11, C12로부터 인버터(8)에 직류 전력이 공급되고, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 하강한다. VDC=VB가 되면, IGBT Q1, Q4를 온 및 오프시켜도 IGBT Q1, Q4에 전류가 흐르지 않게 되고, 또한 VDC＜VB가 되면, 배터리(22)의 정극으로부터 리액터 X1, 다이오드 D1, 콘덴서 C11, C12, 다이오드 D4, 및 리액터 X2를 거쳐 배터리(22)의 부극에 전류 Ib가 흐른다.
따라서, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하면, 쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5d)로부터 배터리(22)의 정극에 흐르는 전류 Ib의 극성이 반전한다. 쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5d)로부터 배터리(22)의 정극에 흐르는 전류 Ib의 극성을 부로 하면, 제어 회로(7)는, 전류 Ib의 극성이 부로부터 정으로 반전했을 때에, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것을 검지한다. 또, 전류 검출기(6)는, 쌍방향 초퍼(5) 내에 마련되어 있어도 상관없다. 예를 들어, 전류 검출기(6)는, IGBT Q1의 이미터와 리액터 X1 사이에 흐르는 전류 Ib를 검출해도 상관없다.
그런데, 이러한 쌍방향 초퍼(5)에서는, 상용 교류 전원(21)의 정전시에 있어서 배터리(22)의 직류 전력을 인버터(8)에 공급하는 경우에, 콘덴서 C11, C12에 리플 전류가 흘러 콘덴서 C11, C12의 온도가 상승한다. 콘덴서 C11, C12의 온도 상승치가 소정의 상한치를 초과하면, 열폭주가 발생하여 콘덴서 C11, C12가 파손한다. 콘덴서 C11, C12의 온도 상승을 작게 억제하기 위해서는, 콘덴서 C11, C12의 용량치를 크게 할 필요가 있다.
종래는, 상용 교류 전원(21)의 정전시에 흐르는 최대 전류 Ib를 정상적으로 흘렸을 경우에 있어서의 콘덴서 C11, C12의 온도 상승 포화치가 상한치를 초과하지 않도록, 콘덴서 C11, C12의 용량치를 설정하고 있었다. 이 때문에, 콘덴서 C11, C12의 용량치가 과대하게 되어, 장치가 대형화하고 고비용으로 되고 있었다. 본 실시의 형태 1은, 이 문제를 해결하는 것이다.
도 3은, 제어 회로(7)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 3에 있어서, 제어 회로(7)는, 참조 전압 생성부(31, 36), 보정부(32, 39), 전압 검출기(33, 37), 감산기(34, 38), 전압 제어부(35, 40), 극성 판정기(41), 방전 판정기(42), 및 PWM(Pulse　Width　Modulation) 제어부(43)를 포함한다.
참조 전압 생성부(31)는, 배터리(22)의 단자간 전압 VB의 목표 전압인 참조 직류 전압 VBr를 생성한다. 보정부(32)는, 전류 검출기(6)(도 2)의 출력 신호 Ibf에 근거하여 동작하고, 배터리(22)에 유입하는 전류 Ib에 따라 참조 직류 전압 VBr를 보정하고, 참조 전압 보정치 VBr1을 출력한다. 보정부(32)는, 예를 들어, 배터리(22)의 초기 충전시에 과대한 전류 Ib가 흐르는 것을 방지하기 위해, 전류 Ib의 크기를 모니터링하면서 참조 전압 보정치 VBr1을 조정한다.
전압 검출기(33)는, 배터리(22)의 단자간 전압 VB를 검출하고, 검출치를 나타내는 신호 VBf를 출력한다. 감산기(34)는, 참조 전압 보정치 VBr1과 전압 검출기(33)의 출력 신호 VBf에 의해 나타나는 배터리(22)의 단자간 전압 VB의 편차 ΔVB=VBr1-VB를 구한다. 전압 제어부(35)는, 편차 ΔVB에 비례한 값과 편차 ΔVB의 적분치를 가산하여 전압 지령치 VBc를 생성한다.
보정부(32), 감산기(34), 및 전압 제어부(35)는, 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 참조 직류 전압 VBr가 되도록 전압 지령치 VBc를 생성하는 제 1 전압 지령부를 구성한다.
참조 전압 생성부(36)는, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC의 목표 전압인 참조 직류 전압 VDCr를 생성한다. 전압 검출기(37)는, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC를 검출하고, 검출치를 나타내는 신호 VDCf를 출력한다. 감산기(38)는, 참조 직류 전압 VDCr와 전압 검출기(37)의 출력 신호 VDCf에 의해 나타나는 직류 전압 VDC의 편차 ΔVDC=VDCr-VDC를 구한다.
보정부(39)는, 전류 검출기(6)(도 2)의 출력 신호 Ibf에 근거하여 동작하고, 배터리(22)로부터 유출하는 전류 Ib의 크기에 따라 편차 ΔVDC를 보정하고, 편차 보정치 ΔVDC1을 출력한다. 보정부(39)는, 예를 들어, 배터리(22)의 초기 방전시에 과대한 전류 Ib가 흐르는 것을 방지하기 위해, 전류 Ib의 크기를 모니터링하면서 편차 보정치 ΔVDC1을 조정한다. 전압 제어부(40)는, 편차 보정치 ΔVDC1에 비례한 값과 편차 보정치 ΔVDC1의 적분치를 가산하여 전압 지령치 VDCc를 생성한다.
감산기(38), 보정부(39), 및 전압 제어부(40)는, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 참조 직류 전압 VDCr가 되도록 전압 지령치 VDCc를 생성하는 제 2 전압 지령부를 구성한다.
극성 판정기(41)는, 전류 검출기(6)(도 2)의 출력 신호 Ibf에 근거하여, 쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5d)와 배터리(22)의 정극 사이에 흐르는 직류 전류 Ib의 극성을 판정하고, 판정 결과를 나타내는 신호 DT1을 출력한다.
쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5d)로부터 배터리(22)의 정극을 향해 직류 전류 Ib가 흐르는 경우(상용 교류 전원(21)의 건전시)에는, 직류 전류 Ib는 부극성이라고 판정되고, 신호 DT1은 「L」 레벨로 된다. 반대로, 배터리(22)의 정극으로부터 쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5d)를 향해 직류 전류 Ib가 흐르는 경우(상용 교류 전원(21)의 정전시)에는, 직류 전류 Ib는 정극성이라고 판정되고, 신호 DT1은 「H」 레벨로 된다.
방전 판정기(42)는, 신호 DT1이 「H」 레벨인 경우(상용 교류 전원(21)의 정전시)에, 전압 검출기(33)의 출력 신호 VBf와 전류 검출기(6)(도 1, 도 2)의 출력 신호 IBf에 근거하여, 배터리(22)의 직류 전력을 방전시키는 것이 가능한지 여부를 판정하고, 판정 결과를 나타내는 신호 DT2를 출력한다. 배터리(22)의 직류 전력을 방전시키는 것이 가능한 경우에는, 신호 DT2는 「H」 레벨로 된다. 배터리(22)의 직류 전력을 방전시키는 것이 가능하지 않은 경우에는, 신호 DT2는 「L」 레벨로 된다.
도 4는, 방전 판정기(42)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 4에 있어서, 방전 판정기(42)는, 전압 판정부(51), 기억부(52), 연산부(53), 온도 판정부(54), 및 AND 게이트(55)를 포함한다.
전압 판정부(51)는, 전압 검출기(33)(도 3)의 출력 신호 VBf에 의해 나타나는 직류 전압 VB와, 배터리(22)(도 1, 도 2)의 방전 종지 전압 VBE의 높낮이를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 신호 φ51을 출력한다. 직류 전압 VB가 방전 종지 전압 VBE보다 높은 경우에는, 신호 φ51은 「H」 레벨로 된다. 직류 전압 VB가 방전 종지 전압 VBE보다 낮은 경우에는, 신호 φ51은 「L」 레벨로 된다.
기억부(52)에는, 상용 교류 전원(21)의 정전시에 있어서의 직류 전류 Ib와, 콘덴서 C11, C12의 온도 상승의 시정수 τ와, 콘덴서 C11, C12의 온도 상승 포화치 Ts의 관계를 나타내는 정보가 저장되어 있다.
여기서, Ib, τ, Ts의 관계를 나타내는 정보를 취득하는 실험 방법에 대해 설명한다. 콘덴서 C11, C12의 각각은, 병렬 접속된 복수의 전해 콘덴서를 포함한다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 그러한 전해 콘덴서 중 가장 온도 상승이 큰 전해 콘덴서(60)(예를 들어 복수의 전해 콘덴서 중 중앙에 배치된 전해 콘덴서)를 선택하고, 선택한 전해 콘덴서(60)의 내부에 온도 센서(61)를 배치하고, 전해 콘덴서(60)의 내부 온도 T1을 검출한다.
또, 선택한 전해 콘덴서(60)의 외부에 온도 센서(62)를 배치하고, 전해 콘덴서(60)의 주위 온도 T2를 검출한다. 온도 센서(61)의 출력 신호 T1f에 의해 나타나는 전해 콘덴서(60)의 내부 온도 T1과, 온도 센서(62)의 출력 신호 T2f에 의해 나타나는 전해 콘덴서(60)의 주위 온도 T2의 차를 전해 콘덴서(60)의 온도 상승치 T=T1-T2로 한다.
또, 내부에 온도 센서(61)를 배치한 전해 콘덴서(60)의 수명은 짧기 때문에, 실제로 무정전 전원 장치(1)를 운전하면서 전해 콘덴서(60)의 내부 온도 T1을 검출할 수 없다.
또, 일정 용량(예를 들어 400kW)의 부하(23)를 무정전 전원 장치(1)에 접속하고, 출력 전압 VB를 조정하는 것이 가능한 직류 전원을 배터리(22) 대신에 접속한다. 직류 전원의 출력 전압 VB를 소정치로 설정하고, 상용 교류 전원(21)의 정전시와 마찬가지로 쌍방향 초퍼(5) 및 인버터(8)를 운전한다.
전류 검출기(6)에 의해 직류 전류 Ib를 검출하고, 온도 센서(61, 62)에 의해 전해 콘덴서(60)의 온도 상승치 T(K)를 검출한다. 온도 상승치 T(K)는 시간의 경과와 함께 서서히 상승하므로, 온도 상승치 T(K)가 포화할 때까지 쌍방향 초퍼(5) 및 인버터(8)의 운전을 계속하고, 온도 상승치 T(K)의 시간 변화를 나타내는 곡선을 그린다.
도 6은, 전해 콘덴서(60)의 온도 상승치 T(K)의 시간 변화를 나타내는 타임 차트이다. 도 6에 있어서, 초기 상태(시각 t0)에서는, Ib=0(A), T=0(k)이다. 직류 전압 VB를 소정치로 설정한다. 시각 t1에 있어서, 쌍방향 초퍼(5) 및 인버터(8)의 운전을 개시하면, 직류 전류 Ib가 흐르고, 온도 상승치 T(K)가 서서히 증대하고, 시각 t3에 있어서 온도 상승치 T(K)가 포화하고, 온도 상승 포화치 Ts(K)에 도달한다.
온도 상승치 T(K)가 0(k)로부터 온도 상승 포화치 Ts(K)의 62.3(%)의 값에 도달할 때까지의 시간이 시정수 τ=t2-t1로 된다. 직류 전압 VB를 복수 단계로 변화시키고, 각 직류 전압 VB마다 온도 상승 곡선 A를 그리고, 직류 전압 VB(V), 직류 전류 Ib, 온도 상승 포화치 Ts, 및 시정수 τ을 기록한다.
도 7은, 도 5 및 도 6에서 설명한 실험 결과를 예시하는 도면이다. 도 7에서는, 부하(23)의 소비 전력 PL를 400(kW)에 고정하고, 직류 전압 VB를 400, 420, 440, 480(V)의 4 단계로 변화시킨 경우가 나타나고 있다. 직류 전압 VB를 400, 420, 440, 480(V)에 변화시킨 경우, 직류 전류 Ib는 각각 1000.0, 952.4, 909.1, 833.3(A)로 되고, 온도 상승 포화치 Ts는 각각 51, 48, 44, 39(K)가 되었다. 시정수 τ은, 어느 경우에도 약 15분이 되었다.
도 8은, 도 7에 나타낸 직류 전류 Ib와 온도 상승 포화치 Ts의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8에 있어서, 곡선 B는, 원점(Ib=0, Ts=0)과 4개의 점P1(Ib=833.3, Ts=39), P2(Ib=909.1, Ts=44), P3(Ib=952.4, Ts=48), P4(Ib=1000.0, Ts=51)을 통과하고 있다. 온도 상승 포화치 Ts와 직류 전류 Ib의 함수는, 수식 Ts=f(Ib)로 근사하는 것이 가능해지고 있다. 이 수식 Ts=f(Ib)와 시정수 τ을 기억부(52)에 저장해둔다.
다시 도 4를 참조하여, 연산부(53)는, 신호 DT1이 「H」 레벨인 경우(상용 교류 전원(21)의 정전시)에 활성화되고, 전류 검출기(6)의 출력 신호 Ibf에 의해 나타나는 직류 전류 Ib와, 기억부(52)의 기억 내용에 근거하여, 소정 시간 Δt마다 콘덴서 C11, C12의 온도 상승 추정치 Ta를 산출한다.
도 9는, 연산부(53)의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다. 도 9에 있어서, (a)는 콘덴서 C11, C12의 온도 상승치 T(K)의 시간 변화를 나타내고, (b)는 직류 전류 Ib(A)의 시간 변화를 나타내고 있다.
도 9에서는, 임의의 시각 t0에 있어서 833.3(A)의 직류 전류 Ib가 흐르게 되고, 시각 t0의 뒤의 시각 t1에 있어서 직류 전류 Ib가 1000(A)로 증대된 경우가 나타나고 있다. 시각 t0에서는, 콘덴서 C11, C12의 온도 상승치 T0(K)가 39(K)가 되어 있다. 연산부(53)는, 시각 t1로부터 소정 시간 Δt만큼 경과한 후의 시각 t2에 있어서의 온도 상승 추정치 Ta를 산출한다.
즉, 연산부(53)는, 우선 시각 t1에 있어서의 직류 전류 Ib=1000(A)로부터 온도 상승 포화치 Ts=f(1000)=51(K)을 산출한다. 온도 상승치 T(K)는, 산출한 온도 상승 포화치 Ts=51(K)를 향해, 시정수 τ로 나타내지는 곡선 C에 따라 증대한다고 추정된다. 연산부(53)는, 다음 식(1)에 따라, 시각 t2에 있어서의 온도 상승 추정치 Ta를 산출한다. N는, 정의 정수이며, 1회 산출할 때마다 증가(＋1)된다.
Ta=T0＋(Ts-T0)×［1-exp(-Δt×N/τ)］　　　　　　… (1)
온도 판정부(54)는, 연산부(53)에 의해 산출된 온도 상승 추정치 Ta와 상한치 Th의 대소를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 신호 φ54를 출력한다. 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th보다 작은 경우에는, 신호 φ54는 「H」 레벨로 된다. 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th보다 큰 경우에는, 신호 φ54는 「L」 레벨로 된다. 상한치 Th는, 예를 들어 45(K)이다.
AND 게이트(55)는, 신호 φ51, φ54의 논리곱 신호 DT2를 출력한다. 직류 전압 VB가 방전 종지 전압 VBE보다 높고, 또한 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th보다 낮은 경우에는, 신호 DT2는 「H」 레벨로 되고, 배터리(22)의 방전이 허가된다. 직류 전압 VB가 방전 종지 전압 VBE보다 저하한 경우, 또는 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th보다 상승한 경우에는, 신호 DT2는 「L」 레벨로 되고, 배터리(22)의 방전이 금지된다.
도 10은, 방전 판정기(42)의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다. 도 10에 있어서, (a)는 온도 상승 포화치 Ts 및 온도 상승 추정치 Ta의 시간 변화를 나타내고, (b)는 배터리(22)의 단자간 전압 VB(직류 전압 VB)의 시간 변화를 나타내고, (c)는 배터리(22)의 방전 전류 Ib(직류 전류 Ib)의 시간 변화를 나타내고 있다. 도 10의 가로축은, 배터리(22)의 방전 시간을 나타내고 있다.
도 10에 있어서, 배터리(22)의 방전이 개시되면, 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 초기치(예를 들어 470V)로부터 서서히 하강한다. 부하(23)의 소비 전력이 일정치(예를 들어 400kW)이므로, 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 하강함에 따라 배터리(22)의 방전 전류 Ib가 초기치(예를 들어 851A)로부터 서서히 상승한다.
연산부(53)는, 소정 시간 Δt(예를 들어 1분)마다, 온도 상승 포화치 Ts 및 온도 상승 추정치 Ta를 산출한다. 배터리(22)의 방전 전류 Ib가 서서히 상승하므로, 온도 상승 포화치 Ts도 초기치(예를 들어 40K)로부터 서서히 상승한다. 온도 상승 추정치 Ta는, 초기치(0K)로부터 서서히 상승한다.
도 10에 나타나는 경우에서는, 방전 개시부터 약 35분 경과했을 때에 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th(예를 들어 45K)보다 높아지고, 방전 개시부터 약 26분 경과했을 때에 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 방전 종지 전압(예를 들어 400V)보다 낮아진다. 따라서, 이 경우는, 방전 개시부터 약 26분 경과했을 때에 전압 판정부(51)(도 4)의 출력 신호 φ51이 「L」 레벨로 하강하여 신호 DT2가 「L」 레벨로 하강하고, 배터리(22)의 방전이 금지된다.
다시 도 3을 참조하여, PWM 제어부(43)는, 극성 판정기(41)의 출력 신호 DT1이 「L」 레벨인 경우(상용 교류 전원(21)의 건전시)에는, 전압 제어부(35)로부터의 전압 지령치 VBc와 소정 주파수의 삼각파 신호 CW라는 비교 결과에 근거하여 게이트 신호 S1을 생성하고, 또한, 게이트 신호 S2를 「L」 레벨로 고정한다.
또, PWM 제어부(43)는, 극성 판정기(41)의 출력 신호 DT1이 「H」 레벨이며, 또한 방전 판정기(42)의 출력 신호 DT2가 「H」 레벨인 경우(상용 교류 전원(21)의 정전시에 있어서, 직류 전압 VB가 방전 종지 전압 VBE보다 높고, 또한 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th보다 낮은 경우)에는, 전압 제어부(40)로부터의 전압 지령치 VDCc와 소정 주파수의 삼각파 신호 CW의 비교 결과에 근거하여 게이트 신호 S2를 생성하고, 또한, 게이트 신호 S1을 「L」 레벨로 고정한다.
또, PWM 연산부(43)는, 극성 판정기(41)의 출력 신호 DT1이 「H」 레벨이며, 또한 방전 판정기(42)의 출력 신호 DT2가 「L」 레벨인 경우(상용 교류 전원(21)의 정전시에 있어서, 직류 전압 VB가 방전 종지 전압 VBE보다 낮은 경우, 또는 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th보다 높은 경우)에는, 게이트 신호 S1, S2를 「L」 레벨로 고정한다.
도 11은, PWM 연산부(43)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 11에 있어서, PWM 연산부(43)는, 삼각파 발생기(71), 비교기(72, 73), 셀렉터(74), 및 신호 출력 회로(75, 76)를 포함한다.
삼각파 발생기(71)는, 소정 주파수의 삼각파 신호 CW를 생성한다. 비교기(72)는, 전압 제어부(35)(도 3)로부터의 전압 지령치 VBc와 삼각파 신호 CW의 높낮이를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 PWM 신호 φ1을 출력한다. VBc＞CW인 경우는 PWM 신호 φ1은 「H」 레벨로 되고, VBc＜CW인 경우는 PWM 신호 φ1은 「L」 레벨로 된다.
비교기(73)는, 전압 제어부(40)(도 3)로부터의 전압 지령치 VDCc와 삼각파 신호 CW의 높낮이를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 PWM 신호 φ2를 출력한다. VDCc＞CW인 경우는 PWM 신호 φ2는 「H」 레벨로 되고, VDCc＜CW인 경우는 PWM 신호 φ2는 「L」 레벨로 된다.
셀렉터(74)는, 극성 판정기(41)(도 3)의 출력 신호 DT1이 「L」 레벨인 경우에는, PWM 신호 φ1, φ2 중 PWM 신호 φ1을 선택하고, 선택한 PWM 신호 φ1을 PWM 신호 φ1A로서 신호 출력 회로(75)에 부여하는 것과 동시에, 「L」 레벨로 고정된 PWM 신호 φ2A를 신호 출력 회로(76)에 부여한다.
또 셀렉터(74)는, 극성 판정기(41)(도 3)의 출력 신호 DT1이 「H」 레벨인 경우에는, PWM 신호 φ1, φ2 중 PWM 신호 φ2를 선택하고, 선택한 PWM 신호 φ2를 PWM 신호 φ2A로서 신호 출력 회로(76)에 부여하는 것과 동시에, 「L」 레벨로 고정된 PWM 신호 φ1A를 신호 출력 회로(75)에 부여한다.
신호 출력 회로(75)는, 신호 DT2가 「H」 레벨인 경우에 활성화되고, 셀렉터(74)로부터의 PWM 신호 φ1A에 증폭 및 레벨 변환 처리를 실시하고, PWM 신호 φ1A와 동일한 파형의 게이트 신호 S1을 생성하여, 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q1, Q4의 게이트에 부여한다. 신호 DT2가 「L」 레벨인 경우에는, 신호 출력 회로(75)는 게이트 신호 S1을 「L」 레벨로 고정한다.
신호 출력 회로(76)는, 신호 DT2가 「H」 레벨인 경우에 활성화되고, 셀렉터(74)로부터의 PWM 신호 φ2A에 증폭 및 레벨 변환 처리를 실시하고, PWM 신호 φ2A와 동일한 파형의 게이트 신호 S2를 생성하고, 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q2, Q3의 게이트에 부여한다. 신호 DT2가 「L」 레벨인 경우에는, 신호 출력 회로(76)는 게이트 신호 S2를 「L」 레벨로 고정한다.
도 12는, PWM 제어부(43)의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다. 도 12에 있어서, (a)는 전압 지령치 VDCc, 삼각파 신호 CW, 및 PWM 신호 φ2의 파형을 나타내는 타임 차트이다. 도 12(a)에 나타내는 바와 같이, 삼각파 신호 CW는, 부측 피크치와 정측 피크치의 사이에서 일정 주파수로 변화한다. 전압 지령치 VDCc는, 부측 피크치와 정측 피크치의 사이에 변화한다. 도 12(a)에서는, 전압 지령치 VDCc가 부의 값으로부터 정의 값까지 직선적으로 변화한 경우가 나타나고 있다.
도 12(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 전압 지령치 VDCc가 삼각파 신호 CW보다 큰 경우에는 PWM 신호 φ2가 「H」 레벨로 되고, 전압 지령치 VDCc가 삼각파 신호 CW보다 작은 경우에 PWM 신호 φ2가 「L」 레벨로 된다. 따라서, 전압 지령치 VDCc가 증가함에 따라 PWM 신호 φ2의 듀티비가 증대한다.
전압 지령치 VBc, 삼각파 신호 CW, 및 PWM 신호 φ1의 파형은, 전압 지령치 VDCc, 삼각파 신호 CW, 및 PWM 신호 φ2의 파형과 마찬가지이므로, 그 설명은 반복하지 않는다.
다음에, 도 1~도 12에 나타낸 무정전 전원 장치(1)의 동작에 대해 설명한다. 인버터 급전 모드가 선택되고, 전자 접촉기(12)가 온되고, 전자 접촉기(13)가 오프되고 있는 것으로 한다. 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전력이 컨버터(3)에 의해 직류 전력으로 변환되고, 그 직류 전력이 인버터(8)에 의해 교류 전력으로 변환되어 부하(23)에 공급되고, 부하(23)가 운전된다.
또, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력의 일부는, 쌍방향 초퍼(5)에 의해 배터리(22)에 저장된다. 이 때, 제어 회로(7)(도 3)에서는, 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 참조 직류 전압 VBr가 되도록 전압 지령치 VBc가 생성되고, 또한, 극성 판정기(41)에 의해 신호 DT1이 「L」 레벨로 된다.
PWM 제어부(43)(도 11)에서는, 삼각파 신호 CW와 전압 지령치 VBc의 비교 결과를 나타내는 PWM 신호 φ1이 생성되고, 그 PWM 신호 φ1과 동일한 파형의 게이트 신호 S1이 생성된다. 이 게이트 신호 S1에 의해 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q1, Q4(도 2)가 온 및 오프되고, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 강압되어 배터리(22)에 공급된다.
상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하면, 컨버터(3)의 운전이 정지되고, 배터리(22)의 직류 전력이 쌍방향 초퍼(5)에 의해 인버터(8)에 공급되고, 교류 전력으로 변환되어 부하(23)에 공급된다.
즉, 컨버터(3)의 운전이 정지되어 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 저하하면, 배터리(22)의 정극으로부터 쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5d)(도 2)를 향해 전류 Ib가 흐르고, 전류 Ib의 극성이 부로부터 정으로 반전하고, 극성 판정기(41)(도 3)의 출력 신호 DT1이 「H」 레벨로 된다. 또, 제어 회로(7)(도 3)에서는, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 참조 직류 전압 VDCr가 되도록 전압 지령치 VDCc가 생성된다.
PWM 제어부(43)(도 11)에서는, 삼각파 신호 CW와 전압 지령치 VDCc의 비교 결과를 나타내는 PWM 신호 φ2가 생성되고, 그 PWM 신호 φ2와 동일한 파형의 게이트 신호 S2가 생성된다. 이 게이트 신호 S2에 의해 쌍방향 초퍼(5)의 IGBT Q2, Q3(도 2)가 온 및 오프되고, 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 승압되고, 직류 라인 L1, L2를 거쳐 인버터(8)에 공급된다.
또, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하면, 연산부(53)(도 4)에 의해 콘덴서 C11, C12의 온도 상승 추정치 Ta가 소정 시간 Δt마다 산출된다. 산출된 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th를 초과하면, 온도 판정부(54)에 의해 신호 φ54가 「L」 레벨로 하강하고, 신호 DT2가 「L」 레벨로 하강한다.
또, 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 방전 종지 전압 VBE보다 저하한 경우에는, 온도 판정부(54)에 의해 신호 φ51이 「L」 레벨로 하강하고, 신호 DT2가 「L」 레벨로 하강한다. 신호 DT2가 「L」 레벨로 되면, 신호 출력 회로(75, 76)에 의해 신호 S1, S2가 「L」 레벨로 고정되고, 배터리(22)의 방전이 정지된다.
이상과 같이, 이 실시의 형태 1에서는, 전류 검출기(6)의 검출 결과와 기억부(52)의 기억 내용에 근거하여, 소정 시간 Δt가 경과할 때마다 콘덴서 C11, C12의 온도 상승 추정치 Ta를 산출하고, 산출한 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th보다 높은 경우에 쌍방향 초퍼(5)의 운전을 정지시킨다. 따라서, 종래와 비교하여 소용량의 콘덴서 C11, C12를 사용할 수 있고, 장치의 소형화, 저비용화를 도모할 수 있다.
또, 이 실시의 형태 1에서는, 컨버터(3)의 출력 전압을 안정화시키기 위한 콘덴서 C1, C2와, 쌍방향 초퍼(5)의 출력 전압을 안정화시키기 위한 콘덴서 C11, C12가 별개로 마련되어 있는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정하는 것이 아니라, 콘덴서 C1, C2가 콘덴서 C11, C12를 포함하고 있는 경우에도 동일한 효과가 얻어진다. 다만, 콘덴서 C1, C2의 각각은, 병렬 접속된 복수의 전해 콘덴서를 포함하므로, 그러한 전해 콘덴서 중 가장 온도 상승이 큰 전해 콘덴서(60)(도 5)를 선택하고, 선택한 전해 콘덴서(60)의 내부 온도 T1과 주위 온도 T2를 검출할 필요가 있다.
［실시의 형태 2］
도 13은, 실시의 형태 2에 의한 무정전 전원 장치(81)의 구성을 나타내는 회로 블럭도로서, 도 1과 대비되는 도면이다. 도 13을 참조하여, 이 무정전 전원 장치(81)가 도 1의 무정전 전원 장치(1)와 다른 점은, 컨버터(3), 인버터(8), 및 쌍방향 초퍼(5)가 각각 컨버터(3A), 인버터(8A), 및 쌍방향 초퍼(5A)로 치환되고, 제어 회로(4, 7, 14)가 각각 제어 회로(4A, 7A, 14A)로 치환되고, 콘덴서 C1, C2가 콘덴서 C3로 치환되고, 직류 라인 L3이 제거되어 있는 점이다.
컨버터(3A)는, 제어 회로(4A)에 의해 제어되고, 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인 L1, L2에 출력한다. 상용 교류 전원(21)의 정전시에는, 컨버터(3A)의 운전은 정지된다. 컨버터(3A)의 직류 출력 전압 VDC는, 소망의 값으로 제어 가능하게 되어 있다.
콘덴서 C3은, 직류 라인 L1, L2간에 접속되고, 직류 라인 L1, L2간의 전압을 평활화 및 안정화시킨다. 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC의 순간치는, 제어 회로(4A)에 의해 검출된다.
제어 회로(4A)는, 교류 입력 전압 Vi의 검출치에 근거하여 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생했는지 여부를 검출한다. 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 제어 회로(4A)는, 교류 입력 전압 Vi, 교류 입력 전류 Ii, 및 직류 전압 VDC에 근거하여, 직류 전압 VDC가 소정의 참조 직류 전압 VDCr(예를 들어, 660V)가 되도록 컨버터(3A)를 제어한다. 상용 교류 전원(21)의 정전시에는, 제어 회로(4A)는, 컨버터(3A)의 운전을 정지시킨다.
직류 라인 L1, L2는, 인버터(8A)에 접속되고, 또한, 쌍방향 초퍼(5A)의 고전압측 노드(5a, 5b)에 각각 접속된다. 쌍방향 초퍼(5A)의 저전압측 노드(5d, 5e)는, 각각 배터리(22)의 정극 및 부극에 접속된다.
쌍방향 초퍼(5A)는, 제어 회로(7A)에 의해 제어되고, 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 컨버터(3A)에 의해 생성된 직류 전력을 배터리(22)에 저장하고, 상용 교류 전원(21)의 정전시에는, 배터리(22)의 직류 전력을 직류 라인 L1, L2를 거쳐 인버터(8A)에 공급한다.
직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC의 순간치는, 제어 회로(7A)에 의해 검출된다. 전류 검출기(6)는, 쌍방향 초퍼(5)의 저전압측 노드(5c)와 배터리(22)의 정극 사이에 흐르는 직류 전류 Ib를 검출하고, 그 검출치를 나타내는 신호 Ibf를 제어 회로(7A)에 부여한다. 배터리(22)의 단자간 전압 VB의 순간치는, 제어 회로(7A)에 의해 검출된다.
제어 회로(7A)는, 직류 전압 VDC, 직류 전류 Ib, 및 배터리(22)의 단자간 전압 VB에 근거하여, 쌍방향 초퍼(5A)를 제어한다. 제어 회로(7A)는, 직류 전류 Ib의 극성에 근거하여, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생했는지 여부를 판별한다.
제어 회로(7A)는, 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 컨버터(3A)에 의해 생성된 직류 전력이 배터리(22)에 저장되고, 또한 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 소정의 참조 직류 전압 VBr(예를 들어, 480V)가 되도록 쌍방향 초퍼(5A)를 제어한다.
또, 제어 회로(7A)는, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것에 따라, 배터리(22)의 직류 전력이 인버터(8A)에 공급되고, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 소정의 참조 직류 전압 VDCr(예를 들어, 660V)가 되도록 쌍방향 초퍼(5A)를 제어한다.
또, 제어 회로(7A)는, 직류 전류 Ib와, 쌍방향 초퍼(5A)에 포함되는 콘덴서 C11의 온도 상승의 시정수 τ와, 콘덴서 C11의 온도 상승 포화치 Ts의 관계를 나타내는 정보를 기억하고 있다. 제어 회로(7A)는, 상용 교류 전원(21)의 정전시에는, 직류 전원 Ib와 기억한 정보에 근거하여, 소정 시간 Δt가 경과할 때마다 콘덴서 C11의 온도 상승 추정치 Ta를 산출하고, 산출한 온도 상승 추정치 Ta가 상한치 Th를 초과한 경우에는, 쌍방향 초퍼(5A)의 운전을 정지한다.
인버터(8A)는, 제어 회로(14A)에 의해 제어되고, 컨버터(3A) 또는 쌍방향 초퍼(5A)로부터 직류 라인 L1, L2를 거쳐 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 즉, 인버터(8A)는, 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, 컨버터(3A)로부터 직류 라인 L1, L2를 거쳐 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것에 따라, 배터리(22)로부터 쌍방향 초퍼(5A)를 거쳐 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 인버터(8A)의 교류 출력 전압은, 소망의 값으로 제어 가능하게 되어 있다.
도 14는, 쌍방향 초퍼(5A)의 구성을 나타내는 회로도로서, 도 2와 대비되는 도면이다. 도 14에 있어서, 쌍방향 초퍼(5A)는, IGBT Q1, Q2, 다이오드 D1, D2, 리액터 X1, 및 콘덴서 C11을 포함한다.
IGBT Q1의 콜렉터는 고전압측 노드(5a)에 접속되고, 그 이미터는 리액터 X1을 거쳐 저전압측 노드(5d)에 접속되고, 또한, IGBT Q2의 콜렉터에 접속된다. IGBT Q2의 이미터는, 고전압측 노드(5b) 및 저전압측 노드(5e)에 접속된다. 다이오드 D1, D2는, 각각 IGBT Q1, Q2에 역병렬로 접속된다. 콘덴서 C11은, 고전압측 노드(5a, 5b)간에 접속되고, 고전압측 노드(5a, 5b)간의 직류 전압 VDC를 안정화시킨다.
IGBT Q1(제 1 스위칭 소자)은, 상용 교류 전원(21)의 건전시에, 소정 주파수에서 온 및 오프되고, 컨버터(3A)에 의해 생성된 직류 전력을 배터리(22)에 저장한다. 상용 교류 전원(21)의 건전시에는, IGBT Q2는 오프 상태로 고정된다.
IGBT Q1은, 제어 회로(7A)로부터의 게이트 신호 S1에 의해 제어된다. 게이트 신호 S1은, 소정 주파수로 「H」 레벨 및 「L」 레벨로 된다. 게이트 신호 S1이 「H」 레벨로 되면 IGBT Q1이 온하고, 게이트 신호 S1이 「L」 레벨로 되면 IGBT Q1이 오프한다.
상용 교류 전원(21)의 건전시에 있어서, VDC＞VB인 경우에 IGBT Q1이 온되면, 직류 라인 L1로부터 IGBT Q1, 리액터 X1, 및 배터리(22)를 거쳐 직류 라인 L2에 이르는 경로에 전류 Ib가 흐르고, 배터리(22)가 충전되고, 또한, 리액터 X1에 전자 에너지가 저장된다.
IGBT Q1이 오프되면, 리액터 X1의 한쪽 단자(배터리(22)측의 단자)로부터 배터리(22) 및 다이오드 D2를 거쳐 리액터 X1의 다른 쪽 단자에 이르는 경로에서 전류가 흐르고, 배터리(22)가 충전되고, 또한, 리액터 X1의 전자 에너지가 방출된다.
게이트 신호 S1이 「H」 레벨로 되는 시간(펄스폭)과 1 주기의 비는, 듀티비로 불린다. 게이트 신호 S1의 듀티비를 조정하는 것에 의해, 배터리(22)의 단자간 전압 VB를 소정의 참조 직류 전압 VBr로 조정하는 것이 가능해지고 있다. 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC는 강압되어 배터리(22)에 부여되고, VB＜VDC가 된다.
IGBT Q2(제 2 스위칭 소자)는, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 것에 따라, 소정 주파수에서 온 및 오프되고, 배터리(22)의 직류 전력을 인버터(8A)에 공급한다.
IGBT Q2는, 제어 회로(7A)로부터의 게이트 신호 S2에 의해 제어된다. 게이트 신호 S2는, 소정 주파수에서 「H」 레벨 및 「L」 레벨로 된다. 게이트 신호 S2가 「H」 레벨로 되면 IGBT Q2가 온하고, 게이트 신호 S2가 「L」 레벨로 되면 IGBT Q2가 오프한다.
상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지되어, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 배터리(22)의 단자간 전압 VB보다 저하하면, IGBT Q1이 오프 상태로 고정되고, 또한, IGBT Q2의 온 및 오프가 개시된다.
IGBT Q2가 온되면, 배터리(22)의 정극으로부터 리액터 X1 및 IGBT Q2를 거쳐 배터리(22)의 부극에 전류가 흐르고, 리액터 X1에 전자 에너지가 저장된다. IGBT Q2가 오프되면, 리액터 X1로부터 IGBT Q2에 흐르고 있던 전류가 리액터 X1로부터 다이오드 D1에 전류(轉流)되고, 콘덴서 C11을 거쳐 배터리(22)의 부극에 흐르고, 배터리(22)가 충전되고, 또한, 리액터 X1의 전자 에너지가 방출된다.
게이트 신호 S2가 「H」 레벨로 되는 시간(펄스폭)과 1 주기의 비는, 듀티비로 불린다. 게이트 신호 S2의 듀티비를 조정하는 것에 의해, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC를 소정의 참조 직류 전압 VDCr로 조정하는 것이 가능해지고 있다. 배터리(22)의 단자간 전압 VB는 승압되어 직류 라인 L1, L2 간에 부여되고, VB＜VDC가 된다.
제어 회로(7A)는, 전류 검출기(6)의 출력 신호 Ibf에 근거하여, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생했는지 여부를 검지한다. 즉, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하면, 컨버터(3A)의 운전이 정지되고, 콘덴서 C3으로부터 인버터(8A)에 직류 전력이 공급되고, 직류 라인 L1, L2간의 직류 전압 VDC가 하강한다. VDC=VB가 되면, IGBT Q1을 온 및 오프시켜도 IGBT Q1에 전류가 흐르지 않게 되고, 또한 VDC＜VB가 되면, 배터리(22)의 정극으로부터 리액터 X1, 다이오드 D1, 및 콘덴서 C1을 거쳐 배터리(22)의 부극에 전류 Ib가 흐른다.
따라서, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하면, 쌍방향 초퍼(5A)의 저전압측 노드(5d)로부터 배터리(22)의 정극에 흐르는 전류 Ib의 극성이 반전한다. 쌍방향 초퍼(5A)의 저전압측 노드(5d)로부터 배터리(22)의 정극에 흐르는 전류 Ib의 극성을 부로 하면, 제어 회로(7A)는, 전류 Ib의 극성이 부로부터 정으로 반전했을 때에, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생했다고 판별한다. 다른 구성 및 동작은, 실시의 형태 1과 동일하므로, 그 설명은 반복하지 않는다.
이 실시의 형태 2에서도, 실시의 형태 1과 동일한 효과가 얻어진다.
또, 이 실시의 형태 2에서는, 컨버터(3A)의 출력 전압을 안정화시키기 위한 콘덴서 C3과, 쌍방향 초퍼(5A)의 출력 전압을 안정화시키기 위한 콘덴서 C11이 별개로 마련되어 있는 경우에 대해 설명했지만, 이것에 한정하는 것은 아니고, 콘덴서 C3이 콘덴서 C11을 포함하고 있는 경우에도 동일한 효과가 얻어진다. 다만, 콘덴서 C3은, 병렬 접속된 복수의 전해 콘덴서를 포함하므로, 그러한 전해 콘덴서 중 가장 온도 상승이 큰 전해 콘덴서(60)(도 5)를 선택하고, 선택한 전해 콘덴서(60)의 내부 온도 T1과 주위 온도 T2를 검출할 필요가 있다.
이번 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명은 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1, 81 : 무정전 전원 장치 2, 6, 9 : 전류 검출기
3, 3A : 컨버터 L1~L3 : 직류 라인
C1~C3, C11, C12 : 콘덴서 4, 4A, 7, 7A, 14, 14A : 제어 회로
5, 5A : 쌍방향 초퍼 8, 8A : 인버터
10, X1, X2 : 리액터 12, 13 : 전자 접촉기
Q1~Q4 :　IGBT D1~D4 : 다이오드
X1, X2 : 리액터 21 : 상용 교류 전원
22 : 배터리 23 : 부하
31, 36 : 참조 전압 생성부 32, 39 : 보정부
33, 37 : 전압 검출기 34, 38 : 감산기
35, 40 : 전압 제어부 41 : 극성 판정기
42 : 방전 판정기 43 : PWM 제어부
51 : 전압 판정부 52 : 기억부
53 : 연산부 54 : 온도 판정부
55 : AND 게이트 60 : 전해 콘덴서
61, 62 : 온도 센서 71 : 삼각파 발생기
72, 73 : 비교기 74 : 셀렉터
75, 76 : 신호 출력 회로

Claims (6)

  1. 직류 전원으로부터 공급되는 제 1 직류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환하여 직류 부하에 공급하는 초퍼와,
    상기 제 2 직류 전압을 안정화시키는 콘덴서와,
    상기 직류 전원의 출력 전류를 검출하는 전류 검출기와,
    상기 전류 검출기의 검출 결과에 근거하여, 미리 정해진 시간이 경과할 때마다 상기 콘덴서의 온도 상승치를 추정하고, 추정한 온도 상승치가 상한치보다 높은 경우에 상기 초퍼의 운전을 정지시키는 제어 회로를 구비하고,
    상기 제어 회로는,
    상기 직류 전원의 출력 전류와, 상기 콘덴서의 온도 상승의 시정수와, 상기 콘덴서의 온도 상승 포화치의 관계를 나타내는 정보를 기억한 기억부와,
    상기 전류 검출기의 검출 결과와 상기 기억부의 기억 내용에 근거하여, 상기 미리 정해진 시간이 경과할 때마다 상기 콘덴서의 온도 상승 추정치를 산출하는 연산부와,
    상기 온도 상승 추정치가 상기 상한치보다 낮은 경우에는, 상기 콘덴서의 단자간 전압이 참조 전압이 되도록 상기 초퍼를 제어하고, 상기 온도 상승 추정치가 상기 상한치보다 높은 경우에는, 상기 초퍼의 운전을 정지시키는 제어부를 포함하는
    전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 전원은, 직류 전력을 저장하는 전력 저장 장치이며,
    상기 제어 회로는, 상기 전력 저장 장치의 단자간 전압이 방전 종지 전압으로 저하한 경우에도 상기 초퍼의 운전을 정지시키는
    전력 변환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 초퍼 및 상기 콘덴서는 쌍방향 초퍼를 구성하고,
    상기 전력 변환 장치는,
    교류 전원으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 순변환기와,
    상기 순변환기 또는 상기 쌍방향 초퍼로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 부하에 공급하는 역변환기를 더 구비하고,
    상기 역변환기 및 상기 교류 부하는 상기 직류 부하를 구성하고,
    상기 쌍방향 초퍼는, 상기 교류 전원의 건전시에는, 상기 순변환기에 의해 생성되는 직류 전력의 일부를 상기 전력 저장 장치에 저장하고, 상기 교류 전원의 정전시에는, 상기 전력 저장 장치의 직류 전력을 상기 순변환기에 공급하는
    전력 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 콘덴서는, 직렬 접속된 제 1 및 제 2 부콘덴서를 포함하고,
    상기 쌍방향 초퍼는,
    상기 제 1 부콘덴서의 정극 및 부극간에 직렬 접속된 제 1 및 제 2 스위칭 소자와,
    상기 제 2 부콘덴서의 정극 및 부극간에 직렬 접속된 제 3 및 제 4 스위칭 소자와,
    각각 상기 제 1~ 제 4 스위칭 소자에 역병렬로 접속된 제 1~ 제 4 다이오드와,
    상기 전력 저장 장치의 정극과 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자의 사이의 제 1 노드 사이에 접속된 제 1 리액터와,
    상기 제 3 및 제 4 스위칭 소자의 사이의 제 2 노드와 상기 전력 저장 장치의 부극 사이에 접속된 제 2 리액터를 포함하고,
    상기 제어 회로는,
    상기 교류 전원의 건전시에는, 상기 제 1 및 제 4 스위칭 소자를 온 및 오프시키고,
    상기 교류 전원의 정전시에는, 상기 제 2 및 제 3 스위칭 소자를 온 및 오프시키고,
    상기 쌍방향 초퍼의 운전을 정지시키는 경우에는, 상기 제 1~ 제 4 스위칭 소자를 오프시키는
    전력 변환 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 쌍방향 초퍼는,
    상기 콘덴서의 정극 및 부극간에 직렬 접속된 제 1 및 제 2 스위칭 소자와,
    각각 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자에 역병렬로 접속된 제 1 및 제 2 다이오드와,
    상기 전력 저장 장치의 정극과 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자 사이의 노드 사이에 접속된 리액터를 포함하고,
    상기 제어 회로는,
    상기 교류 전원의 건전시에는, 상기 제 1 스위칭 소자를 온 및 오프시키고,
    상기 교류 전원의 정전시에는, 상기 제 2 스위칭 소자를 온 및 오프시키고,
    상기 쌍방향 초퍼의 운전을 정지시키는 경우에는, 상기 제 1 및 제 2 스위칭 소자를 오프시키는
    전력 변환 장치.
  6. 삭제
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