KR20120056874A

KR20120056874A - 무정전 전원 장치

Info

Publication number: KR20120056874A
Application number: KR1020127009829A
Authority: KR
Inventors: 카즈히데 에드와르도 사토; 마사히로 키노시타; 유신 야마모토; 타츠아키 암보
Original assignee: 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2012-06-04
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: WO2011036767A1; US20120217809A1; JP5486604B2; CN102549879B; CN102549879A; KR101308783B1; JPWO2011036767A1; US9154000B2

Abstract

본 무정전 전원 장치(2)에서는, 정전시간이 길어져서 부하(15)에의 전력 공급을 정지한 후도 인버터(3)의 운전을 계속하여, 인버터(3)의 출력에 의거하여 직류 전원 전압을 생성하고, 그 직류 전원 전압에 의해 제어 회로(13)를 구동시킨다. 따라서 부하(15)에의 전력 공급을 정지하고 있는 사이에 상용 교류 전원으로부터의 전력 공급이 재개된 경우는, 제어 회로(13)에 의해 부하(15)에의 전력 공급이 자동적으로 재개된다.

Description

무정전 전원 장치{UNINTERRUPTIBLE POWER-SUPPLY SYSTEM}

본 발명은 무정전 전원 장치에 관한 것으로, 특히, 정전시에도 부하에 전력 공급을 행하는 것이 가능한 무정전 전원 장치에 관한 것이다.

종래로부터, 컴퓨터 시스템 등의 중요 부하에 교류 전력을 안정적으로 공급하기 위한 전원 장치로서, 무정전 전원 장치가 널리 이용되고 있다. 예를 들면 일본 특개2001-61238호 공보(특허 문헌 1)에 나타나는 바와 같이, 무정전 전원 장치는 일반적으로, 상용 교류 전원으로부터의 제 1의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 직류 전력을 축적하는 전력 저장 장치와, 컨버터 또는 전력 저장 장치로부터 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 제 2의 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 인버터를 구비한다.

상용 교류 전원으로부터 제 1의 교류 전력이 공급되고 있는 정상시에는, 컨버터는 제 1의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 전력 저장 장치를 충전하면서 인버터에 직류 전력을 공급한다. 인버터는 직류 전력을 제 2의 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급한다. 상용 교류 전원이 정전된 경우에는, 전력 저장 장치로부터 인버터에 직류 전력이 공급되고, 인버터는 부하에의 제 2의 교류 전력의 공급을 계속한다.

특허 문헌 1 : 일본 특개2001-61238호 공보

그러나, 종래의 무정전 전원 장치에서는, 정전시간이 길어져서 전력 저장 장치의 출력 전압이 방전 종지(終止) 전압으로 저하된 경우, 장치 전체가 정지하고, 부하에의 전력 공급이 정지하여 버린다. 그 후에, 상용 교류 전원으로부터의 전력 공급이 재개한 경우는, 수동에 의해, 무정전 전원 장치를 기동시킬 필요가 있어서, 사용하기가 나뻣었다.

그러므로, 본 발명의 주된 목적은, 정전 후에 상용 교류 전원으로부터의 전력 공급이 재개된 경우는 자동적으로 기동하는 무정전 전원 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 관한 무정전 전원 장치는, 상용 교류 전원으로부터 공급되는 제 1의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터와, 컨버터 또는 전력 저장 장치로부터 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 제 2의 교류 전력으로 변환하는 인버터와, 제 2의 교류 전력에 의거하여 직류 전원 전압을 생성하는 직류 전원과, 한 쪽 단자가 제 1의 교류 전력을 받고, 다른 쪽 단자가 부하에 접속되는 제 1의 스위치와, 한 쪽 단자가 제 2의 교류 전력을 받고, 다른 쪽 단자가 부하에 접속되는 제 2의 스위치와, 직류 전원 전압에 의해 구동되는 제어 회로를 구비한 것이다. 제어 회로는, 제 1의 스위치를 비도통으로 함과 함께 제 2의 스위치를 도통시켜, 컨버터 및 인버터를 운전하여 제 2의 교류 전력을 부하에 공급하는 제 1의 모드와, 제 1의 스위치를 비도통으로 함과 함께 제 2의 스위치를 도통시켜, 컨버터의 운전을 정지함과 함께 인버터를 운전하여 제 2의 교류 전력을 부하에 공급하는 제 2의 모드와, 제 1 및 제 2의 스위치를 비도통으로 하여 부하에의 전력 공급을 정지하고, 컨버터의 운전을 정지함과 함께 인버터를 운전하여 제 2의 교류 전력을 직류 전원에 공급하는 제 3의 모드와, 제 1의 스위치를 도통시킴과 함께 제 2의 스위치를 비도통으로 하여 제 1의 교류 전력을 부하에 공급하는 제 4의 모드를 갖는다. 제어 회로는, 상용 교류 전원으로부터 제 1의 교류 전력이 공급되고 있는 정상시는 제 1의 모드를 실행하고, 상용 교류 전원으로부터의 제 1의 교류 전력의 공급이 정지된 정전시는 제 2의 모드를 실행하고, 정전시에 전력 저장 장치의 출력 전압이 미리 정해진 전압으로 저하된 방전 종지시는 제 3의 모드를 실행하고, 방전 종지시에 상용 교류 전원으로부터의 제 1의 교류 전력의 공급이 재개된 경우는, 제 4의 모드를 실행한 후에 제 1의 모드를 실행한다.

바람직하게는, 제어 회로는, 또한, 제 1 및 제 2의 스위치를 도통시켜, 컨버터 및 인버터를 운전하여 제 1 및 제 2의 교류 전력을 부하에 공급하는 제 5의 모드를 가지며, 방전 종지시에 상용 교류 전원으로부터의 제 1의 교류 전력의 공급이 재개된 경우, 제 4의 모드, 제 5의 모드, 및 제 1의 모드를 순차적으로 실행한다.

또한 바람직하게는, 또한, 한 쪽 단자가 제 1의 교류 전력을 받고, 다른 쪽 단자가 컨버터의 입력 노드에 접속된 제 3의 스위치를 구비한다. 제어 회로는, 제 1의 모드에서는 제 3의 스위치를 도통시키고, 제 2 및 제 3의 모드에서는 제 3의 스위치를 비도통으로 한다.

또한 바람직하게는, 또한, 컨버터의 출력 전압을 강압하여 전력 저장 장치에 주는 제 1의 동작과, 전력 저장 장치의 출력 전압을 승압하여 인버터에 주는 제 2의 동작과, 전력 저장 장치로부터 인버터에 정전류를 흘리는 제 3의 동작중의 어느 하나의 동작을 선택적으로 행하는 초퍼를 구비한다. 제어 회로는, 제 1의 모드에서는 초퍼에 제 1의 동작을 행하게 하고, 제 2의 모드에서는 초퍼에 제 2의 동작을 행하게 하고, 제 3의 모드에서는 초퍼에 제 3의 동작을 행하게 한다.

또한 바람직하게는, 초퍼는, 인버터의 정측 전원 노드 및 부측 전원 노드 사이에 접속된 콘덴서와, 인버터의 정측 전원 노드 및 부측 전원 노드 사이에 직렬 접속된 제 1 및 제 2의 스위칭 소자와, 각각 제 1 및 제 2의 스위칭 소자에 역병렬로 접속된 제 1 및 제 2의 다이오드와, 제 1의 다이오드의 애노드와 전력 저장 장치의 정극과의 사이에 접속된 제 1의 인덕터와, 제 2의 다이오드의 애노드와 전력 저장 장치의 부극과의 사이에 접속된 제 2의 인덕터와, 전력 저장 장치의 정극과 인버터의 정측 전원 노드와의 사이에 접속된 제 3의 다이오드를 포함한다. 제 1의 동작에서는, 제 2의 스위칭 소자가 비도통 상태로 고정됨과 함께 제 1의 스위칭 소자가 도통/비도통이 된다. 제 2의 동작에서는, 제 1의 스위칭 소자가 비도통 상태로 고정됨과 함께 제 2의 스위칭 소자가 도통/비도통이 된다. 제 3의 동작에서는, 제 1 및 제 2의 스위칭 소자가 비도통 상태로 고정된다.

또한 바람직하게는, 초퍼는, 인버터의 정측 전원 노드와 중간 노드와의 사이에 접속된 제 1의 콘덴서와, 중간 노드와 인버터의 부측 전원 노드와의 사이에 접속된 제 2의 콘덴서와, 인버터의 정측 전원 노드와 중간 노드와의 사이에 직렬 접속된 제 1 및 제 2의 스위칭 소자와, 중간 노드와 인버터의 부측 전원 노드와의 사이에 직렬 접속된 제 3 및 제 4의 스위칭 소자와, 각각 제 1 내지 제 4의 스위칭 소자에 역병렬로 접속된 제 1 내지 제 4의 다이오드와, 제 1의 다이오드의 애노드와 전력 저장 장치의 정극과의 사이에 접속된 제 1의 인덕터와, 제 3의 다이오드의 애노드와 전력 저장 장치의 부극과의 사이에 접속된 제 2의 인덕터를 포함한다. 제 1의 동작에서는, 제 2 및 제 3의 스위칭 소자가 비도통 상태로 고정됨과 함께 제 1 및 제 4의 스위칭 소자가 교대로 도통된다. 제 2의 동작에서는, 제 1 및 제 4의 스위칭 소자가 비도통 상태로 고정됨과 함께 제 2 및 제 3의 스위칭 소자가 교대로 도통이 된다. 제 3의 동작에서는, 제 1 내지 제 4의 스위칭 소자가 비도통 상태로 고정된다.

본 발명에 관한 무정전 전원 장치에서는, 정전시간이 길어져서 부하에의 전력 공급을 정지한 후도 인버터의 운전을 계속하여, 인버터의 출력에 의거하여 직류 전원 전압을 생성하고, 그 직류 전원 전압에 의해 제어 회로를 구동시킨다. 따라서 부하에의 전력 공급을 정지하고 있는 사이에 상용 교류 전원으로부터의 전력 공급이 재개된 경우는, 제어 회로에 의해 부하에의 전력 공급이 자동적으로 재개된다.

도 1은 발명의 한 실시의 형태에 의한 무정전 전원 시스템의 구성을 도시하는 회로 블록도.
도 2는 도 1에 도시한 무정전 전원 장치의 주요부를 도시하는 블록도.
도 3은 도 2에 도시한 초퍼의 구성을 도시하는 회로 블록도.
도 4는 도 1에 도시한 제어 회로의 컨버터/인버터 급전 모드를 도시하는 회로 블록도.
도 5는 도 1에 도시한 제어 회로의 배터리/인버터 급전 모드를 도시하는 회로 블록도.
도 6은 도 1에 도시한 제어 회로의 직류 전원 백업 모드를 도시하는 회로 블록도.
도 7은 도 1에 도시한 제어 회로의 바이패스 급전 모드를 도시하는 회로 블록도.
도 8은 도 1에 도시한 제어 회로의 오버랩 급전 모드를 도시하는 회로 블록도.
도 9는 도 1에 도시한 무정전 전원 장치의 동작을 예시하는 타임 차트.
도 10은 실시의 형태의 변경예를 도시하는 회로 블록도.

본원의 무정전 전원 시스템은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 브레이커(B1 내지 B3), 배터리(1), 및 무정전 전원 장치(2)를 구비한다. 무정전 전원 장치(2)는, 바이패스 입력단자(T1), 교류 입력단자(T2), 배터리 단자(T3), 출력 단자(T4), 스위치(S1 내지 S3), 컨버터(3), 초퍼(4), 인버터(5), 전압 센서(6 내지 8, 14), 바이패스 정전 검출 회로(9), 교류 입력 정전 검출 회로(10), 트랜스(11), 직류 전원(12), 및 제어 회로(13)를 포함한다. 출력 단자(T4)에는, 부하(15)가 접속된다.

브레이커(B1)의 한 쪽 단자는 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력을 받고, 다른 쪽 단자는 바이패스 입력단자(T1)에 접속된다. 브레이커(B2)의 한 쪽 단자는 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력을 받고, 다른 쪽 단자는 바이패스 입력단자(T2)에 접속된다. 브레이커(B3)의 한 쪽 단자는 배터리(1)의 정극에 접속되고, 다른 쪽 단자는 배터리 단자(T3)에 접속된다. 여기서는, 브레이커(B1 내지 B3)는 항상 온 하고 있는 것으로 한다.

스위치(S1 내지 S3)의 각각은, 제어 회로(13)에 의해 제어된다. 스위치(S1)는, 바이패스 입력단자(T1)와 출력 단자(T4)의 사이에 접속되고, 바이패스 급전 모드시 및 오버랩 급전 모드시에 온 한다. 스위치(S2)는, 인버터(5)의 출력 노드와 출력 단자(T4)와의 사이에 접속되고, 인버터 급전 모드시 및 오버랩 급전 모드시에 온 한다. 스위치(S3)는, 교류 입력단자(T2)와 컨버터(3)의 입력 노드와의 사이에 접속되고, 상용 교류 전원으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 정상시에 온 하고, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력의 공급이 정지되어 있는 정전시에 오프 한다. 도 1에서는, 스위치(S2, S3)가 온 하고, 스위치(S1)가 오프 하고 있는 상태가 도시되어 있다.

컨버터(3), 초퍼(4), 및 인버터(5)의 각각은, 제어 회로(13)에 의해 제어된다. 도 1에서는 도면의 간단화를 위해, 컨버터(3) 및 초퍼(4)는 하나의 블록으로 나타내여져 있지만, 도 2에 도시하는 바와 같이, 컨버터(3)와 초퍼(4)는 제각기 마련되어 있다. 도 1로 되돌아와, 스위치(S3), 컨버터(3), 인버터(5), 및 스위치(S2)는, 교류 입력단자(T2)와 출력 단자(T4)의 사이에 직렬 접속된다. 컨버터(3)는, 상용 교류 전원으로부터 브레이커(B2), 교류 입력단자(T2), 및 스위치(S3)를 통하여 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다.

초퍼(4)는, 배터리 단자(T3)와 컨버터(3)의 출력 노드(즉 인버터(5)의 입력 노드)와의 사이에 접속된다. 초퍼(4)는, 상용 교류 전원으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 정상시는, 컨버터(3)의 출력 전압을 강압하여 배터리(1)에 준다. 또한, 초퍼(4)는, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력의 공급이 정지된 정전시는, 배터리(1)의 출력 전압을 승압하여 인버터(5)에 준다. 또한, 초퍼(4)는, 정전시에 있어서 배터리(1)의 출력 전압이 방전 종지 전압으로 저하된 경우는, 배터리(1)로부터 다이오드를 통하여 인버터(5)에 정전류를 흘린다.

상세하게 설명하면 도 3에 도시하는 바와 같이, 초퍼(4)는, 다이오드(20 내지 23), 인덕터(24, 25), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)(26, 27), 및 콘덴서(28, 29)를 포함한다. 콘덴서(28, 29)는, 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a) 및 부측 전원 노드(5b) 사이에 직렬 접속된다. IGBT(26, 27)는, 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a) 및 부측 전원 노드(5b) 사이에 직렬 접속된다. IGBT(26, 27)의 각각은, 제어 회로(13)에 의해 온/오프 제어된다. 다이오드(22, 23)는, 각각 IGBT(26, 27)에 역병렬로 접속된다. 배터리(1)의 정극은, 다이오드(20)를 통하여 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a)에 접속됨과 함께, 인덕터(24)를 통하여 IGBT(26)의 소스에 접속된다. 배터리(1)의 부극은, 다이오드(21)를 통하여 배터리(1)의 정극에 접속됨과 함께, 인덕터(25)를 통하여 인버터(5)의 부측 전원 노드(5b)에 접속된다.

초퍼(4)는, 강압 동작, 승압 동작, 및 정류 동작중의 어느 하나의 동작을 선택적으로 행한다. 정류 동작에서는, IGBT(26, 27)는 오프 상태로 고정되고, 도 2중의 점선으로 도시하는 바와 같이, 배터리(1)의 정극으로부터 다이오드(20), 인버터(5), 및 인덕터(25)를 통하여 배터리(1)의 부극에 전류가 흐르고, 배터리(1)로부터 인버터(5)에 직류 전력이 공급된다.

승압 동작에서는, IGBT(26)가 오프 상태로 고정됨과 함께 IGBT(27)가 온/오프 된다. IGBT(27)가 온 되면, 배터리(1)의 정극으로부터 인덕터(24), IGBT(27), 및 인덕터(25)를 통하여 배터리(1)의 부극에 전류가 흐르고, 인덕터(24, 25)에 전자 에너지가 축적된다. IGBT(27)가 오프 되면, 배터리(1)의 정극으로부터 인덕터(24), 다이오드(22), 인버터(5), 및 인덕터(25)를 통하여 배터리(1)의 부극에 전류가 흐르고, 인덕터(24, 25)의 전자 에너지가 방출된다. 이 때, 인버터(5)의 전원 노드(5a, 5b) 사이에는, 배터리(1)의 단자 사이 전압보다도 높은 전압이 인가된다.

강압 동작에서는, IGBT(27)가 오프 상태로 고정됨과 함께 IGBT(26)가 온/오프 된다. 콘덴서(28, 29)는, 컨버터(3)의 출력 전압에 의해 충전되어 있다. IGBT(26)가 온 되면, 콘덴서(28)의 정극으로부터 IGBT(26), 인덕터(24), 배터리(1), 인덕터(25), 콘덴서(29)의 부극의 경로로 전류가 흐르고, 배터리(1)가 충전됨과 함께, 인덕터(24, 25)에 전자 에너지가 축적된다. IGBT(26)가 오프 되면, 인덕터(24), 배터리(1), 인덕터(25) 및 다이오드(23)의 경로로 전류가 흐르고, 배터리(1)가 충전됨과 함께, 인덕터(24, 25)의 전자 에너지가 방출된다. 이 때, 배터리(1)의 단자 사이에는, 콘덴서(28, 29)의 단자간 전압보다도 낮은 전압이 인가된다.

제어 회로(13)는, 상용 교류 전원으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 정상시는, 초퍼(4)에 강압 동작을 행하게 하고, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력의 공급이 정지된 정전시는, 초퍼(4)에 승압 동작을 행하게 하고, 정전시에 있어서 배터리(1)의 출력 전압이 방전 종지 전압으로 저하된 경우는, 초퍼(4)에 정류 동작을 행하게 한다.

도 1로 되돌아와, 인버터(5)는, 상용 교류 전원으로부터 교류 전력이 공급되고 있는 정상시는, 컨버터(3)에 의해 생성된 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환한다. 또한, 인버터(5)는, 정전시는, 배터리(1)로부터 초퍼(4)를 통하여 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환한다. 인버터(5)에 의해 생성된 교류 전력은, 스위치(S2) 및 출력 단자(T4)를 통하여 부하(15)에 공급됨과 함께, 트랜스(11)를 통하여 직류 전원(12)에 공급된다.

또한, 도시하지 않지만, 입력단자(T1, T2)의 각각은 직류 전원(12)에 접속되어 있다. 즉, 직류 전원(12)에는, 트랜스(11)의 출력 전압과, 바이패스 입력단자(T1)의 전압과, 교류 입력단자(T2)의 전압이 병렬로 공급된다. 직류 전원(12)은, 트랜스(11) 및 입력단자(T1, T2)를 통하여 공급된 교류 전력에 의거하여 직류 전원 전압을 생성한다. 제어 회로(13)는, 직류 전원(12)에 의해 생성된 직류 전원 전압에 의해 구동되고, 무정전 전원 장치 전체를 제어한다.

전압 센서(6)는, 바이어스 입력단자(T1)의 전압을 검출하고, 검출치를 나타내는 신호를 바이패스 정전 검출 회로(9) 및 제어 회로(13)에 준다. 바이패스 정전 검출 회로(9)는, 전압 센서(6)의 출력 신호에 의거하여, 정전이 발생하였는지의 여부, 즉 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력의 공급이 정지되어 있는지의 여부를 판별하고, 판별 결과를 나타내는 신호를 제어 회로(13)에 준다.

전압 센서(7)는, 교류 입력단자(T2)의 전압을 검출하고, 검출치를 나타내는 신호를 교류 입력 정전 검출 회로(10) 및 제어 회로(13)에 준다. 교류 입력 정전 검출 회로(10)는, 전압 센서(7)의 출력 신호에 의거하여, 정전이 발생하였는지의 여부, 즉 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력의 공급이 정지되어 있는지의 여부를 판별하고, 판별 결과를 나타내는 신호를 제어 회로(13)에 준다.

전압 센서(8)는, 배터리(1)의 출력 전압을 검출하고, 검출치를 나타내는 신호를 제어 회로(13)에 준다. 전압 센서(14)는, 인버터(5)의 출력 전압을 검출하고, 검출치를 나타내는 신호를 제어 회로(13)에 준다. 제어 회로(13)는, 전압 센서(6 내지 8, 14), 바이패스 정전 검출 회로(9), 및 교류 입력 정전 검출 회로(10)의 출력 신호에 의거하여, 무정전 전원 장치 전체를 제어한다.

즉 제어 회로(13)는, 컨버터/인버터 급전 모드, 배터리/인버터 급전 모드, 직류 전원 백업 모드, 바이패스 급전 모드, 및 오버랩 운전 모드를 갖는다. 제어 회로(13)는, 컨버터/인버터 급전 모드에서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 스위치(S1)를 오프 함과 함께 스위치(S2, S3)를 온 하여, 컨버터(3)를 운전하여 직류 전력을 생성하고, 초퍼(4)에 강압 동작을 행하게 하여 배터리(1)를 충전하고, 인버터(5)를 운전하여 교류 전력을 생성하고, 그 교류 전력을 부하(15)에 공급한다.

이 때, 제어 회로(13)는, 전압 센서(6, 7)에 의해 검출된 입력 교류 전압과 전압 센서(14)에 의해 검출된 출력 교류 전압을 비교하고, 입력 교류 전압과 출력 교류 전압의 전압치가 일치하고, 또한 입력 교류 전압과 출력 교류 전압의 위상이 일치하도록, 컨버터(3) 및 인버터(5)를 제어한다.

또한, 제어 회로(13)는, 배터리/인버터 급전 모드에서는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 스위치(S1, S3)를 오프 함과 함께 스위치(S2)를 온 하여, 컨버터(3)의 운전을 정지하고, 초퍼(4)에 승압 동작을 행하게 하여 배터리(1)로부터 인버터(5)에 직류 전력을 공급하고, 인버터(5)를 운전하여 교류 전력을 생성하고, 그 교류 전력을 부하(15)에 공급한다.

또한, 제어 회로(13)는, 직류 전원 백업 모드에서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 스위치(S1 내지 S3)를 오프 하여 부하(15)에의 전력 공급을 정지하고, 컨버터(3)의 운전을 정지하고, 초퍼(4)에 정류 동작을 행하게 하여 배터리(1)로부터 인버터(1)에 직류 전력을 공급하고, 인버터(5)를 운전하여 교류 전력을 생성하고, 그 교류 전력을 직류 전원(12)에 공급한다.

또한, 제어 회로(13)는, 바이패스 급전 모드에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 스위치(S1, S3)를 온 함과 함께 스위치(S2)를 오프 하여 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력을 부하(15)에 직접 공급하는 한편, 컨버터(3)를 운전하여 직류 전력을 생성하고, 초퍼(4)에 강압 동작을 행하게 하여 배터리(1)를 충전하고, 인버터(5)를 운전하여 교류 전력을 생성한다.

또한, 제어 회로(13)는, 오버랩 운전 모드에서는, 인버터 급전 모드와 바이패스 급전 모드를 병렬로 행한다. 즉 제어 회로(13)는, 오버랩 운전 모드에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 스위치(S1 내지 S3)를 온 하여 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력을 부하(15)에 직접 공급함과 함께, 컨버터(3)를 운전하여 직류 전력을 생성하고, 초퍼(4)에 강압 동작을 행하게 하여 배터리(1)를 충전하고, 인버터(5)를 운전하여 교류 전력을 생성하고, 그 교류 전력을 부하(15)에 공급한다.

제어 회로(13)는, 정전 검출 회로(9, 10)의 출력 신호에 의거하여 정전이 발생하였는지의 여부를 판별하고, 전압 센서(8)의 출력 신호에 의거하여 배터리(1)의 출력 전압이 방전 종지 전압으로 저하되었는지의 여부를 판별한다. 제어 회로(13)는, 정전이 발생하지 않은 정상시는, 도 4의 컨버터/인버터 급전 모드를 실행한다. 정전이 발생한 경우, 제어 회로(13)는, 우선 도 5의 배터리/인버터 급전 모드를 실행하고, 배터리(1)의 출력 전압이 방전 종지 전압으로 저하된 때는 도 6의 직류 전원 백업 모드를 실행한다. 또한, 제어 회로(13)는, 직류 전원 백업 모드시에 있어서 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력의 공급이 재개된 경우는, 도 7의 바이패스 급전 모드, 도 8의 오버랩 운전 모드, 및 도 4의 컨버터/인버터 급전 모드를 순차적으로 실행한다.

도 9는, 무정전 전원 장치(2)의 동작을 예시하는 타임 차트이다. 도 9에서, 초기 상태에서는, 상용 교류 전원으로부터 정상적으로 교류 전력이 공급되고 있는 것으로 한다. 이 경우, 제어 회로(13)에 의해 컨버터/인버터 급전 모드가 실행되고, 도 4에서 도시한 바와 같이, 스위치(S1)가 오프 됨과 함께 스위치(S2, S3)가 온 되고, 컨버터(3)가 운전되어 직류 전력이 생성되고, 인버터(5)가 운전되어 교류 전력이 생성되고, 그 교류 전력이 부하(15)에 공급된다. 도 9에서는, 배터리(1)의 출력 전압(VB)이 목표 전압(VT)에 도달하고 있기 때문에, 초퍼(4)는 정지되어 있다. 이 때, 도 3에 도시한 초퍼(4)에서는, 다이오드(20)는 역바이어스 상태가 되어 있고, 다이오드(20)에 전류는 흐르지 않는다.

시각(t0)에서 정전이 발생하면, 제어 회로(13)에 의해 배터리/인버터 급전 모드가 실행되고, 도 5에서 도시한 바와 같이, 스위치(S1, S3)가 오프 됨과 함께 스위치(S2)가 온 되고, 컨버터(3)의 운전이 정지되고, 초퍼(4)에 의해 승압 동작이 행하여지고 배터리(1)로부터 인버터(5)에 직류 전력이 공급되고, 인버터(5)가 운전되어 교류 전력이 생성되고, 그 교류 전력이 부하(15)에 공급된다. 배터리(1)로부터 인버터(5)에 직류 전력이 공급되면, 배터리(1)의 출력 전압(VB)이 소정의 속도로 저하된다.

이 무정전 전원 시스템에서는, 정전이 발생하고 나서 배터리(1)의 출력 전압(VB)이 방전 종지 전압(VE)으로 저하될 때까지는, 부하(15)에 교류 전력을 공급하여 부하(15)의 운전을 계속할 수 있다. 또한, 배터리(1)의 출력 전압(VB)이 방전 종지 전압(VE)으로 저하된 전에 정전이 종료된 경우는, 배터리/인버터 급전 모드로부터 컨버터/인버터 급전 모드로 이행한다.

시각(t1)에서 배터리(1)의 출력 전압(VB)이 방전 종지 전압(VE)으로 저하되면, 제어 회로(13)에 의해 직류 전원 백업 모드가 실행되고, 도 6에서 도시한 바와 같이, 스위치(S1 내지 S3)가 오프 되고 부하(15)에의 전력 공급이 정지된다. 또한, 컨버터(3)의 운전이 정지되고, 초퍼(4)에 의해 정류 동작이 행하여져서 배터리(1)로부터 인버터(1)에 직류 전력이 공급되고, 인버터(5)가 운전되어 교류 전력이 생성되고, 그 교류 전력이 직류 전원(12)에 공급된다. 따라서 정전 후에도 제어 회로(13)는 계속 동작한다. 또한, 부하(15)에의 전력 공급이 정지되면 배터리(1)의 출력 전류가 저하되고, 배터리(1)의 내부 저항에 의한 전압 강하가 저감하기 때문에, 시각(t1)에서 배터리(1)의 출력 전압(VB)은 약간 상승한다.

시각(t2)에서 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력의 공급이 재개되면, 제어 회로(13)에 의해 바이패스 급전 모드가 시작되고, 도 7에서 도시한 바와 같이, 스위치(S1, S3)가 온 됨과 함께 스위치(S2)가 오프 되고, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력이 부하(15)에 직접 공급된다. 또한, 시각(t2)의 직후의 시각(t3)에서, 컨버터(3)의 운전이 재개되어 직류 전력이 생성되고, 초퍼(4)에 의해 강압 동작이 행하여지고 배터리(1)의 충전이 시작됨과 함께, 인버터(5)가 운전되어 교류 전력이 생성된다.

시각(t4)에서, 제어 회로(13)에 의해 오버랩 운전 모드가 실행되어, 도 7 및 도 8에서 도시한 바와 같이, 바이패스 급전 모드에 더하여 스위치(S2)가 온 된다. 시각(t5)에서, 제어 회로(13)에 의해 컨버터/인버터 급전 모드가 실행되어, 도 4 및 도 8에서 도시한 바와 같이, 오버랩 운전 모드에서 온 되어 있던 스위치(S1)가 오프 된다. 시각(t6)에서, 배터리(1)의 출력 전압(VB)이 목표 전압(VT)에 도달하면, 초퍼(4)가 정지되고, 초기 상태로 되돌아오다. 또한, 정전이 회복되지 않고, 배터리(1)의 출력 전압이 방전 종지 전압(VE)보다도 낮은 운전 정지 전압으로 저하된 경우는, 인버터(5)의 운전도 정지되고, 무정전 전원 장치(2)가 정지한다.

이 실시의 형태에서는, 정전시간이 길어져서 부하(15)에의 전력 공급이 정지된 후도 인버터(5)의 운전을 계속하여, 인버터(5)의 출력을 직류 전원(12)에 공급하고, 직류 전원(12)에 의해 제어 회로(13)를 구동시킨다. 따라서 부하(15)에의 전력 공급이 정지되고 있는 동안에 상용 교류 전원으로부터의 전력 공급이 재개된 경우는, 제어 회로(13)에 의해 무정전 전원 장치(2)가 기동되고, 부하(15)에의 전력 공급이 자동적으로 재개된다.

도 10은, 이 실시의 형태의 변경예를 도시하는 회로도로서, 도 3과 대비되는 도면이다. 도 10에서, 이 변경예에서는, 초퍼(4)가 초퍼(30)로 치환된다. 초퍼(30)는, 인덕터(31, 33), IGBT(33 내지 36), 다이오드(37 내지 40), 및 콘덴서(41, 42)를 포함한다. IGBT(33 내지 36)는, 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a) 및 부측 전원 노드(5b) 사이에 직렬 접속된다. 다이오드(37 내지 40)는, 각각 IGBT(33 내지 36)에 역병렬로 접속된다. 인덕터(31)는, 배터리(1)의 정극과 IGBT(33)의 소스와의 사이에 접속된다. 인덕터(32)는, 배터리(1)의 부극과 IGBT(39)의 소스와의 사이에 접속된다. 콘덴서(41, 42)는, 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a) 및 부측 전원 노드(5b) 사이에 직렬 접속된다. 콘덴서(41, 42) 사이의 중간 노드(N41)는, IGBT(34)의 소스에 접속된다.

초퍼(30)는, 강압 동작, 승압 동작, 및 정류 동작중의 어느 하나의 동작을 선택적으로 행한다. 정류 동작에서는, IGBT(33 내지 36)가 오프 상태로 고정되고, 도 10중의 점선으로 도시하는 바와 같이, 배터리(1)의 정극으로부터 인덕터(31), 다이오드(37), 인버터(5), 다이오드(40), 및 인덕터(32)를 통하여 배터리(1)의 부극에 이르는 경로로 전류가 흐르고, 배터리(1)로부터 인버터(5)에 직류 전력이 공급된다.

승압 동작에서는, IGBT(34, 35)가 교대로 온 된다. IGBT(34)가 온 됨과 함께 IGBT(33, 35, 36)가 오프 되면, 배터리(1)의 정극으로부터 인덕터(31), IGBT(34), 콘덴서(42), 다이오드(40), 및 인덕터(32)를 통하여 배터리(1)의 부극에 이르는 경로로 전류가 흐르고, 콘덴서(42)가 충전된다. IGBT(33, 34, 36)가 오프 됨과 함께 IGBT(35)가 온 되면, 배터리(1)의 정극으로부터 인덕터(31), 다이오드(37), 콘덴서(41), IGBT(35), 및 인덕터(32)를 통하여 배터리(1)의 부극에 이르는 경로로 전류가 흐르고, 콘덴서(41)가 충전된다. 이 때, 인버터(5)의 전원 노드(5a, 5b) 사이에는, 배터리(1)의 단자 사이 전압보다도 높은 전압이 인가된다.

강압 동작에서는, IGBT(33, 36)가 교대로 온 된다. IGBT(33)가 온 됨과 함께 IGBT(34 내지 36)가 오프 되면, 콘덴서(41)의 정극(노드(5a))으로부터 IGBT(33), 인덕터(31), 배터리(1), 인덕터(32), 및 다이오드(39)를 통하여 콘덴서(41)의 부극(노드(N41))에 이르는 경로로 전류가 흐르고, 배터리(1)가 충전된다. IGBT(36)가 온 됨과 함께 IGBT(33 내지 35)가 오프 되면, 콘덴서(42)의 정극(노드(N41))으로부터 다이오드(38), 인덕터(31), 배터리(1), 인덕터(32), 및 IGBT(36)를 통하여 콘덴서(42)의 부극(노드(5b))에 이르는 경로로 전류가 흐르고, 배터리(1)가 충전된다. 이 때, 배터리(1)의 단자 사이에는, 콘덴서(41)의 정극 및 콘덴서(42)의 부극 사이의 전압보다도 낮은 전압이 인가된다. 이 변경예라도, 실시의 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.

금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

B1 내지 B3 : 브레이커
T1 내지 T4 : 단자
S1 내지 S3 : 스위치
1 : 배터리
2 : 무정전 전원 장치
3 : 컨버터
4, 30 : 초퍼
5 : 인버터
6 내지 8, 14 : 전압 센서
9 : 바이패스 정전 검출 회로
10 : 교류 입력 정전 검출 회로
11 : 트랜스
12 : 직류 전원
13 : 제어 회로
15 : 부하
20 내지 23, 37 내지 40 : 다이오드
24, 25, 31, 32 : 인덕터
26, 27, 33 내지 36 : IGBT
28, 29, 41, 42 : 콘덴서

Claims

상용 교류 전원으로부터 공급되는 제 1의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터(3)와,
상기 컨버터(3) 또는 전력 저장 장치(1)로부터 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 제 2의 교류 전력으로 변환하는 인버터(5)와,
상기 제 2의 교류 전력에 의거하여 직류 전원 전압을 생성하는 직류 전원(12)과,
한 쪽 단자가 상기 제 1의 교류 전력을 받고, 다른 쪽 단자가 부하(15)에 접속되는 제 1의 스위치(S1)와,
한 쪽 단자가 상기 제 2의 교류 전력을 받고, 다른 쪽 단자가 상기 부하(15)에 접속되는 제 2의 스위치(S2)와,
상기 직류 전원 전압에 의해 구동되는 제어 회로(13)를 구비하고,
상기 제어 회로(13)는,
상기 제 1의 스위치(S1)를 비도통으로 함과 함께 상기 제 2의 스위치(S2)를 도통시켜, 상기 컨버터(3) 및 상기 인버터(5)를 운전하여 상기 제 2의 교류 전력을 상기 부하(15)에 공급하는 제 1의 모드와,
상기 제 1의 스위치(S1)를 비도통으로 함과 함께 상기 제 2의 스위치(S2)를 도통시켜, 상기 컨버터(3)의 운전을 정지함과 함께 상기 인버터(5)를 운전하여 상기 제 2의 교류 전력을 상기 부하(15)에 공급하는 제 2의 모드와,
상기 제 1 및 제 2의 스위치(S1, S2)를 비도통으로 하여 상기 부하(15)에의 전력 공급을 정지하고, 상기 컨버터(3)의 운전을 정지함과 함께 상기 인버터(5)를 운전하여 상기 제 2의 교류 전력을 상기 직류 전원(12)에 공급하는 제 3의 모드와,
상기 제 1의 스위치(S1)를 도통시킴과 함께 상기 제 2의 스위치(S2)를 비도통으로 하여 상기 제 1의 교류 전력을 상기 부하에 공급하는 제 4의 모드를 가지며,
상기 상용 교류 전원으로부터 상기 제 1의 교류 전력이 공급되고 있는 정상시는 상기 제 1의 모드를 실행하고,
상기 상용 교류 전원으로부터의 상기 제 1의 교류 전력의 공급이 정지된 정전시는 상기 제 2의 모드를 실행하고,
상기 정전시에 상기 전력 저장 장치(1)의 출력 전압이 미리 정해진 전압으로 저하된 방전 종지시는 상기 제 3의 모드를 실행하고,
상기 방전 종지시에 상기 상용 교류 전원으로부터의 상기 제 1의 교류 전력의 공급이 재개된 경우는, 상기 제 4의 모드를 실행한 후에 상기 제 1의 모드를 실행하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제어 회로(13)는,
또한, 상기 제 1 및 제 2의 스위치(S1, S2)를 도통시켜, 상기 컨버터(3) 및 상기 인버터(5)를 운전하여 상기 제 1 및 제 2의 교류 전력을 상기 부하(15)에 공급하는 제 5의 모드를 가지며,
상기 방전 종지시에 상기 상용 교류 전원으로부터의 상기 제 1의 교류 전력의 공급이 재개된 경우, 상기 제 4의 모드, 상기 제 5의 모드, 및 상기 제 1의 모드를 순차적으로 실행하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 1항에 있어서,
또한, 한 쪽 단자가 상기 제 1의 교류 전력을 받고, 다른 쪽 단자가 상기 컨버터(3)의 입력 노드에 접속된 제 3의 스위치(S3)를 구비하고,
상기 제어 회로(13)는, 상기 제 1의 모드에서는 상기 제 3의 스위치(S3)를 도통시키고, 상기 제 2 및 제 3의 모드에서는 상기 제 3의 스위치(S3)를 비도통으로 하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 1항에 있어서,
또한, 상기 컨버터(3)의 출력 전압을 강압하여 상기 전력 저장 장치(1)에 주는 제 1의 동작과, 상기 전력 저장 장치(1)의 출력 전압을 승압하여 상기 인버터(5)에 주는 제 2의 동작과, 상기 전력 저장 장치(1)로부터 상기 인버터(5)에 정전류를 흘리는 제 3의 동작중의 어느 하나의 동작을 선택적으로 행하는 초퍼(4 또는 30)를 구비하고,
상기 제어 회로(13)는, 상기 제 1의 모드에서는 상기 초퍼(4 또는 30)에 상기 제 1의 동작을 행하게 하고, 상기 제 2의 모드에서는 상기 초퍼(4 또는 30)에 상기 제 2의 동작을 행하게 하고, 상기 제 3의 모드에서는 상기 초퍼(4 또는 30)에 상기 제 3의 동작을 행하게 하는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 4항에 있어서,
상기 초퍼(4)는,
상기 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a) 및 부측 전원 노드(5b) 사이에 접속된 콘덴서(28, 29)와,
상기 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a) 및 부측 전원 노드(5b) 사이에 직렬 접속된 제 1 및 제 2의 스위칭 소자(26, 27)와,
각각 상기 제 1 및 제 2의 스위칭 소자(26, 27)에 역병렬로 접속된 제 1 및 제 2의 다이오드(22, 23)와,
상기 제 1의 다이오드(22)의 애노드와 상기 전력 저장 장치(1)의 정극과의 사이에 접속된 제 1의 인덕터(24)와,
상기 제 2의 다이오드(23)의 애노드와 상기 전력 저장 장치(1)의 부극과의 사이에 접속된 제 2의 인덕터(25)와,
상기 전력 저장 장치(1)의 정극과 상기 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a)와의 사이에 접속되는 제 3의 다이오드(20)를 포함하고,
상기 제 1의 동작에서는, 상기 제 2의 스위칭 소자(27)가 비도통 상태로 고정됨과 함께 상기 제 1의 스위칭 소자(26)가 도통/비도통이 되고,
상기 제 2의 동작에서는, 상기 제 1의 스위칭 소자(26)가 비도통 상태로 고정됨과 함께 상기 제 2의 스위칭 소자(27)가 도통/비도통이 되고,
상기 제 3의 동작에서는, 상기 제 1 및 제 2의 스위칭 소자(26, 27)가 비도통 상태로 고정되는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.
제 4항에 있어서,
상기 초퍼(30)는,
상기 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a)와 중간 노드(N41)와의 사이에 접속된 제 1의 콘덴서(41)와,
상기 중간 노드(N41)와 상기 인버터(5)의 부측 전원 노드(5b)와의 사이에 접속된 제 2의 콘덴서(42)와,
상기 인버터(5)의 정측 전원 노드(5a)와 상기 중간 노드(N41)와의 사이에 직렬 접속된 제 1 및 제 2의 스위칭 소자(33, 34)와,
상기 중간 노드(N41)와 상기 인버터(5)의 부측 전원 노드(5b)와의 사이에 직렬 접속된 제 3 및 제 4의 스위칭 소자(35, 36)와,
각각 상기 제 1 내지 제 4의 스위칭 소자(33 내지 36)에 역병렬로 접속된 제 1 내지 제 4의 다이오드(37 내지 40)와,
상기 제 1의 다이오드(37)의 애노드와 상기 전력 저장 장치(1)의 정극과의 사이에 접속된 제 1의 인덕터(31)와,
상기 제 3의 다이오드(23)의 애노드와 상기 전력 저장 장치(1)의 부극과의 사이에 접속된 제 2의 인덕터(32)를 포함하고,
상기 제 1의 동작에서는, 상기 제 2 및 제 3의 스위칭 소자(34, 35)가 비도통 상태로 고정됨과 함께 상기 제 1 및 제 4의 스위칭 소자(33, 36)가 교대로 도통되고,
상기 제 2의 동작에서는, 상기 제 1 및 제 4의 스위칭 소자(33, 36)가 비도통 상태로 고정됨과 함께 상기 제 2 및 제 3의 스위칭 소자(34, 35)가 교대로 도통이 되고,
상기 제 3의 동작에서는, 상기 제 1 내지 제 4의 스위칭 소자(33 내지 36)가 비도통 상태로 고정되는 것을 특징으로 하는 무정전 전원 장치.