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KR20220070323A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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KR20220070323A
KR20220070323A KR1020227015110A KR20227015110A KR20220070323A KR 20220070323 A KR20220070323 A KR 20220070323A KR 1020227015110 A KR1020227015110 A KR 1020227015110A KR 20227015110 A KR20227015110 A KR 20227015110A KR 20220070323 A KR20220070323 A KR 20220070323A
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마사미치 가노
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도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
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Abstract

무정전 전원 장치는, 한쪽 단자가 교류 전원(21)으로부터 공급되는 제 1 교류 전압(Vi)을 받고, 다른 쪽 단자가 교류 노드(N1)에 접속되는 전자 접촉기(3)와, 직류 라인(L1)에 접속되고, 직류 전력을 저장하는 콘덴서(11)와, 교류 노드와 직류 라인 사이에 전력을 수수하는 컨버터(7)와, 기동 모드시에는, 컨버터로부터 교류 노드에 공급되는 제 2 교류 전압(VAF)의 주파수 및 위상이 제 1 교류 전압의 주파수 및 위상과 일치하도록 컨버터(7)를 제어한 후에, 전자 접촉기(3)를 온시키고, 기동 모드 후의 통상 운전 모드시에는, 직류 노드의 직류 전압(VD)이 참조 전압(VDr)으로 되도록 컨버터(7)를 제어하는 제어 장치(20)를 구비한다.

Description

전력 변환 장치
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히, 교류 전원과 순변환기 사이에 접속되는 스위치를 구비한 전력 변환 장치에 관한 것이다.
예를 들어 일본특허공개 제2019－180131호 공보(특허문헌 1)에는, 한쪽 단자가 교류 전원으로부터 공급되는 교류 전압을 받고, 통상 운전시에 온되는 스위치와, 스위치의 다른 쪽 단자에 접속되고, 교류 전원으로부터 스위치를 거쳐 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 순변환기와, 순변환기의 직류 출력 전압을 평활화시키는 콘덴서를 구비하는 전력 변환 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 일본특허공개 제2019－180131호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 전력 변환 장치에서는, 스위치를 온시켰을 때에 교류 전원으로부터 스위치를 거쳐 순변환기에 과전류가 흐르고, 과전류에 의해 스위치가 파손할 우려가 있었다.
그런 이유로, 본 발명의 주된 목적은, 교류 전원과 순변환기 사이의 스위치가 파손하는 것을 방지하는 것이 가능한 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치는, 한쪽 단자가 교류 전원으로부터 공급되는 제 1 교류 전압을 받고, 다른 쪽 단자가 교류 노드에 접속된 스위치와, 직류 노드에 접속되고, 직류 전력을 저장하는 콘덴서와, 교류 노드와 직류 노드 사이에 전력을 수수(授受)하는 순변환기와, 제 1 모드시에는, 순변환기로부터 교류 노드에 공급되는 제 2 교류 전압의 주파수 및 위상이 제 1 교류 전압의 주파수 및 위상과 일치하도록 순변환기를 제어한 후에, 스위치를 온시키고, 제 1 모드 후의 제 2 모드시에는, 순변환기로부터 직류 노드에 공급되는 직류 전압이 참조 전압으로 되도록 순변환기를 제어하는 제어 장치를 구비한 것이다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치에서는, 순변환기로부터 교류 노드에 공급되는 제 2 교류 전압의 주파수 및 위상이 제 1 교류 전압의 주파수 및 위상과 일치하도록 순변환기를 제어한 후에, 스위치를 온시킨다. 따라서, 스위치의 한쪽 단자 및 다른 쪽 단자간의 전압을 감소시킨 후에 스위치를 온시키므로, 스위치에 흐르는 전류를 작게 억제할 수 있고, 스위치가 파손하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 실시의 형태에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 제어 장치 중 컨버터의 제어에 관련하는 부분의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 신호 EN1, EN2를 생성하는 신호 발생 회로의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다.
도 4는 도 1~도 3에 나타내는 무정전 전원 장치의 동작을 나타내는 타임 차트이다.
도 5는 본원 발명의 효과를 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 1은, 일 실시의 형태에 의한 무정전 전원 장치의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 이 무정전 전원 장치는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 삼상 교류 전력을 직류 전력으로 일단 변환하고, 그 직류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환하여 부하(23)에 공급하는 것이다. 도 1에서는, 도면 및 설명의 간단화를 위해, 삼상 중 일상에 대응하는 부분의 회로만이 나타나고 있다.
도 1에 있어서, 이 무정전 전원 장치는, 교류 입력 단자 T1, 배터리 단자 T2, 및 교류 출력 단자 T3을 구비한다. 교류 입력 단자 T1은, 상용 교류 전원(21)으로부터 상용 주파수의 교류 전력을 받는다. 배터리 단자 T2는, 배터리(전력 저장 장치)(22)에 접속된다. 배터리(22)는, 직류 전력을 저장한다. 배터리(22) 대신에 콘덴서가 접속되어 있어도 상관없다. 교류 출력 단자 T3은, 부하(23)에 접속된다. 부하(23)는, 교류 전력에 의해 구동된다.
이 무정전 전원 장치는, 전자 접촉기(1, 3, 10, 16, 18), 예비 충전기(2), 콘덴서(4, 11, 15), 리액터(5, 9, 14), 전류 검출기(6, 13), 컨버터(7), 직류 라인 L1, 쌍방향 초퍼(8), 인버터(12), 반도체 스위치(17), 조작부(19), 및 제어 장치(20)를 더 구비한다.
전자 접촉기(1)의 한쪽 단자는 교류 입력 단자 T1에 접속되고, 그 다른 쪽 단자는 예비 충전기(2)를 거쳐 직류 라인 L1에 접속된다. 콘덴서(11)는, 직류 라인 L1에 접속되고, 직류 라인 L1의 직류 전압 VD를 평활화시킨다. 전자 접촉기(1)는, 제어 장치(20)에 의해 제어되고, 예비 충전시에 온되고, 예비 충전의 종료후에 오프된다.
예비 충전기(2)는, 복수의 다이오드를 포함하고, 상용 교류 전원(21)으로부터 전자 접촉기(1)를 거쳐 공급되는 교류 전력을 전파 정류하여 직류 전력을 생성하고, 그 직류 전력을 직류 라인 L1에 공급하여 콘덴서(11)를 충전한다.
직류 라인 L1에 나타나는 직류 전압 VD의 순간치는, 제어 장치(20)에 의해 검출된다. 제어 장치(20)는, 무정전 전원 장치의 전원이 온된 경우에는 전자 접촉기(1)를 온시키고, 직류 전압 VD가 소정의 예비 충전 전압 VDP보다 높아진 경우에 전자 접촉기(1)를 오프시킨다.
또, 전자 접촉기(3)(스위치)의 한쪽 단자는 교류 입력 단자 T1에 접속되고, 그 다른 쪽 단자(교류 노드 N1)는 리액터(5)를 거쳐 컨버터(7)의 교류 노드(7a)에 접속된다. 전자 접촉기(3)는, 제어 장치(20)에 의해 제어되고, 콘덴서(11)의 예비 충전이 종료하고, 컨버터(7)가 기동된 후에 온된다. 전자 접촉기(3)는, 무정전 전원 장치의 통상 운전 모드시에는 온 상태로 유지되고, 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전압 Vi의 공급이 정상적으로 행해지지 않는 정전시, 무정전 전원 장치의 유지보수시에 오프된다.
교류 입력 단자 T1에 나타나는 교류 입력 전압 Vi의 순간치는, 제어 장치(20)에 의해 검출된다. 교류 입력 전압 Vi의 순간치에 근거하여, 정전의 발생의 유무 등이 판별된다. 전류 검출기(6)는, 리액터(5)에 흐르는 교류 입력 전류 Ii를 검출하고, 그 검출치를 나타내는 신호 Iif를 제어 장치(20)에 부여한다.
콘덴서(4)는, 노드 N1에 접속된다. 콘덴서(4) 및 리액터(5)는, 저역 통과 필터를 구성하고, 상용 주파수의 교류 전력을 통과시키고, 컨버터(7)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호가 상용 교류 전원(21)에 통과하는 것을 방지한다. 환언하면, 콘덴서(4) 및 리액터(5)는, 컨버터(7)의 교류 노드(7a)로부터 출력되는 상용 주파수의 교류 전압을 정현파 형상의 교류 전압 VAF로 변환하여 교류 노드 N1에 출력한다.
컨버터(7)는, 복수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와, 각각 복수의 IGBT에 역병렬로 접속된 복수의 다이오드를 포함한다. 복수의 IGBT의 각각의 온 및 오프는, 제어 장치(20)에 의해 제어된다. 복수의 IGBT의 각각을 소정의 타이밍에 온 및 오프시키는 것에 의해, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 것이 가능해지고 있다.
컨버터(7)는, 콘덴서(11)의 예비 충전이 종료한 후의 기동 모드(제 1 모드) 시에는, 직류 라인 L1의 직류 전압 VD를 상용 주파수의 교류 전압으로 변환하여 교류 노드(7a)에 출력한다. 기동 모드시에는, 제어 장치(20)는, 컨버터(7)로부터 교류 노드 N1에 공급되는 교류 전압 VAF의 주파수 및 위상이 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 일치하도록 컨버터(7)를 제어한다.
제어 장치(20)는, 기동 모드의 개시부터 소정 시간의 경과 후에, 전자 접촉기(3)를 온시킨다. 이 때, 교류 노드 N1에 나타나는 교류 전압 VAF의 주파수 및 위상이 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 일치하고 있으므로, 전자 접촉기(3)에 흐르는 전류를 작게 억제할 수 있고, 전자 접촉기(3)가 파손하는 것을 방지할 수 있다.
전자 접촉기(3)가 온되면, 제어 장치(20)에 의해 통상 운전 모드(제 2 모드)가 실행된다. 컨버터(7)는, 통상 운전 모드시에는, 상용 교류 전원(21)으로부터 전자 접촉기(3)를 거쳐 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 라인 L1에 출력한다. 컨버터(7)의 직류 출력 전압은, 소망의 값으로 제어 가능하게 되어 있다. 콘덴서(4), 리액터(5), 및 컨버터(7)는, 교류 노드 N1과 직류 라인 L1(직류 노드) 사이에 전력을 수수하는 순변환기를 구성한다.
제어 장치(20)는, 통상 운전 모드시에는, 직류 라인 L1의 직류 전압 VD가 참조 전압 VDr로 되도록 컨버터(7)를 제어한다. 상용 교류 전원(21)으로부터 교류 전압 Vi가 정상적으로 공급되지 않게 된 정전시에는, 컨버터(7)의 운전은 정지되고, 전자 접촉기(3)는 오프된다.
직류 라인 L1은 쌍방향 초퍼(8)의 고전압측 노드에 접속되고, 쌍방향 초퍼(8)의 저전압측 노드는 리액터(9) 및 전자 접촉기(10)를 거쳐 배터리 단자 T2에 접속된다. 리액터(9)는, 쌍방향 초퍼(8)와 배터리(22)의 사이에 흐르는 전류를 평활화시킨다.
전자 접촉기(10)는, 제어 장치(20)에 의해 제어되고, 무정전 전원 장치의 사용시에는 온되고, 예를 들어 무정전 전원 장치 및 배터리(22)의 유지보수시에는 오프된다. 배터리 단자 T2에 나타나는 배터리(22)의 단자간 전압 VB의 순간치는, 제어 장치(20)에 의해 검출된다.
쌍방향 초퍼(8)는, 복수의 IGBT와, 각각 복수의 IGBT에 역병렬로 접속된 복수의 다이오드를 포함한다. 복수의 IGBT의 각각의 온 및 오프는, 제어 장치(20)에 의해 제어된다. 복수의 IGBT의 각각을 소정의 타이밍에 온 및 오프시키는 것에 의해, 직류 라인 L1과 배터리(22) 사이에 직류 전력을 수수하는 것이 가능해지고 있다.
쌍방향 초퍼(8)는, 통상 운전 모드시에는, 컨버터(7)에 의해 생성된 직류 전력의 일부를 배터리(22)에 저장하고, 상용 교류 전원(21)의 정전시에는, 배터리(22)의 직류 전력을 직류 라인 L1을 거쳐 인버터(12)에 공급한다.
쌍방향 초퍼(8)는, 직류 전력을 배터리(22)에 저장하는 경우에는, 직류 라인 L1의 직류 전압 VD를 강압하여 배터리(22)에 부여한다. 또, 쌍방향 초퍼(8)는, 배터리(22)의 직류 전력을 인버터(12)에 공급하는 경우에는, 배터리(22)의 단자간 전압 VB를 승압하여 직류 라인 L1에 출력한다.
제어 장치(20)는, 직류 전력을 배터리(22)에 저장하는 경우에는, 배터리(22)의 단자간 전압 VB가 참조 전압 VBr로 되도록 쌍방향 초퍼(8)를 제어한다. 또, 제어 장치(20)는, 배터리(22)로부터 인버터(12)에 직류 전력을 공급하는 경우에는, 직류 라인 L1의 직류 전압 VD가 참조 전압 VDr로 되도록 쌍방향 초퍼(8)를 제어한다. 직류 라인 L1은, 인버터(12)의 직류 노드에 접속되어 있다.
인버터(12)는, 복수의 IGBT와, 각각 복수의 IGBT에 역병렬로 접속된 복수의 다이오드를 포함한다. 복수의 IGBT의 각각의 온 및 오프는, 제어 장치(20)에 의해 제어된다. 복수의 IGBT의 각각을 소정의 타이밍에 온 및 오프시키는 것에 의해, 직류 전압 VD를 교류 전압으로 변환하는 것이 가능해지고 있다.
인버터(12)는, 제어 장치(20)에 의해 제어되고, 컨버터(7) 또는 쌍방향 초퍼(8)로부터 직류 라인 L1을 거쳐 공급되는 직류 전력을 상용 주파수의 교류 전력으로 변환한다. 즉, 인버터(12)는, 통상 운전 모드시에는 컨버터(7)로부터 직류 라인 L1을 거쳐 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고, 정전시는 배터리(22)로부터 쌍방향 초퍼(8)를 거쳐 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.
인버터(12)의 교류 노드(12a)는 리액터(14)의 한쪽 단자에 접속되고, 리액터(14)의 다른 쪽 단자(출력 노드 N2)는 전자 접촉기(16)를 거쳐 교류 출력 단자 T3에 접속된다. 콘덴서(15)는, 출력 노드 N2에 접속된다.
전류 검출기(13)는, 인버터(12)의 출력 전류 Io의 순간치를 검출하고, 그 검출치를 나타내는 신호 Iof를 제어 장치(20)에 부여한다. 출력 노드 N2에 나타나는 교류 출력 전압 Vo의 순간치는, 제어 장치(20)에 의해 검출된다.
리액터(14) 및 콘덴서(15)는, 저역 통과 필터를 구성하고, 인버터(12)에서 생성된 상용 주파수의 교류 전력을 교류 출력 단자 T4에 통과시키고, 인버터(12)에서 발생하는 스위칭 주파수의 신호가 교류 출력 단자 T4에 통과하는 것을 방지한다. 환언하면, 리액터(14) 및 콘덴서(15)는, 인버터(12)의 교류 노드(12a)로부터 출력되는 상용 주파수의 교류 전압을 정현파 형상의 교류 전압 Vo로 변환하여 출력 노드 N2에 출력한다.
인버터(12), 리액터(14), 및 콘덴서(15)는, 직류 라인 L1과 출력 노드 N2 사이에 전력을 수수하는 역변환기를 구성한다. 제어 장치(20)는, 인버터(12)로부터 출력 노드 N2에 공급되는 교류 전압 Vo의 주파수 및 위상이 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 일치하도록 인버터(12)를 제어한다.
전자 접촉기(16)는, 제어 장치(20)에 의해 제어되고, 인버터(12)에 의해 생성된 교류 전력을 부하(23)에 공급하는 경우(인버터 급전 모드시)에는 온되고, 상용 교류 전원(21)으로부터 전자 접촉기(18)를 거쳐 공급되는 교류 전력을 부하(23)에 공급하는 경우(바이패스 급전 모드시)에는 오프된다. 전자 접촉기(16)는, 인버터(12)가 고장난 경우에 오프된다.
반도체 스위치(17)는, 사이리스터를 포함하고, 교류 입력 단자 T1과 교류 출력 단자 T3 사이에 접속된다. 전자 접촉기(18)는, 반도체 스위치(17)에 병렬 접속된다. 반도체 스위치(17)는, 제어 장치(20)에 의해 제어되고, 통상은 오프되고, 인버터(12)가 고장난 경우는 순간적으로 온하여, 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력을 부하(23)에 공급한다. 반도체 스위치(17)는, 온하고 나서 소정 시간 경과 후에 오프한다.
전자 접촉기(18)는, 인버터(12)에 의해 생성된 교류 전력을 부하(23)에 공급하는 경우(인버터 급전 모드시)에는 오프되고, 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력을 부하(23)에 공급하는 경우(바이패스 급전 모드시)에는 온된다.
전자 접촉기(18)는, 인버터(12)가 고장난 경우에 온하고, 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력을 부하(23)에 공급한다. 즉, 인버터(12)가 고장난 경우는, 반도체 스위치(17)가 순간적으로 소정 시간만큼 온하고, 또한 전자 접촉기(18)가 온한다. 이것은, 반도체 스위치(17)가 과열되어 파손하는 것을 방지하기 위한 것이다.
조작부(19)는, 무정전 전원 장치의 사용자에 의해 조작되는 복수의 버튼, 여러 가지의 정보를 표시하는 화상 표시부 등을 포함한다. 사용자가 조작부(19)를 조작하는 것에 의해, 무정전 전원 장치의 전원을 온 및 오프하거나, 바이패스 급전 모드 및 인버터 급전 모드 중 어느 한쪽의 모드를 선택하는 것이 가능해지고 있다.
제어 장치(20)는, 조작부(19)로부터의 신호, 교류 입력 전압 Vi, 교류 입력 전류 Ii, 직류 전압 VD, 배터리 전압 VB, 교류 출력 전류 Io, 및 교류 출력 전압 Vo 등에 근거하여 무정전 전원 장치 전체를 제어한다.
도 2는, 도 1에 나타낸 제어 장치(20) 중 컨버터(7)의 제어에 관련하는 부분의 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 2에 있어서, 제어 장치(20)는, 참조 전압 발생기(31), 전압 검출기(32, 36), 감산기(33, 35), 전압 제어부(34), 전류 제어부(37), 및 PWM(Pulse　Width　Modulation) 제어부(38)를 포함한다.
참조 전압 발생기(31)는, 참조 전압 VDr를 출력한다. 참조 전압 VDr는, 직류 전압 VD의 정격 전압으로 설정된다. 전압 검출기(32)는, 직류 라인 L1의 직류 전압 VD의 순간치를 검출하고, 검출치를 나타내는 신호 VDf를 출력한다. 감산기(33)는, 참조 전압 VDr와, 전압 검출기(32)의 출력 신호 VDf에 의해 나타나는 직류 전압 VD의 편차 ΔVD를 구한다. 전압 제어부(34)는, 편차 ΔVD에 비례한 값과 편차 ΔVD의 적분치를 가산하여 전류 지령치 Iir를 생성한다.
감산기(35)는, 전류 지령치 Iir와, 전류 검출기(6)(도 1)의 출력 신호 Iif에 의해 나타나는 입력 전류 Ii의 편차 ΔIi를 구한다. 전압 검출기(36)는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi의 순간치를 검출하고, 검출치를 나타내는 신호 Vif를 출력한다.
전류 제어부(37)는, 신호 EN2가 활성화 레벨인 「H」 레벨인 경우에는, 편차 ΔIi에 비례한 값과 편차 ΔIi의 적분치를 가산하여 전압 지령치 Vic를 생성한다. 전압 지령치 Vic는, 교류 전압 Vi와 동일한 주파수의 정현파 신호가 된다. 전압 지령치 Vic와 교류 전압 Vi의 위상차는, 편차 ΔIi에 따라 변화한다.
또, 전류 제어부(37)는, 신호 EN2가 비활성화 레벨인 「L」 레벨인 경우에는, 전압 검출기(36)의 출력 신호 Vif에 의해 나타나는 교류 전압 Vi와 동일한 주파수 및 위상을 갖는 전압 지령치 Vic를 생성한다.
PWM 제어부(38)는, 신호 E1이 활성화 동일한 「H」 레벨인 경우에는, 전압 지령치 Vic에 근거하여, 컨버터(7)를 제어하기 위한 제어 신호 CNT를 생성한다. 제어 신호 CNT는, 컨버터(7)에 포함되는 복수의 IGBT의 게이트에 부여되는 복수개의 게이트 신호를 포함한다. PWM 제어부(38)는, 신호 E1이 비활성화 레벨인 「L」 레벨인 경우에는, 제어 신호 CNT에 포함되는 복수의 게이트 신호를 「L」 레벨로 하고, 컨버터(7)의 운전을 정지한다.
여기서, 도 2에 나타낸 제어 장치(20)의 동작에 대해 설명한다. 예비 충전시에는, 신호 EN1이 「L」 레벨로 되고, PWM 제어부(38)가 비활성화되어 컨버터(7)의 운전은 정지된다.
기동 모드시에는, 신호 EN1이 「H」 레벨로 되어 PWM 제어부(38)가 활성화되고, 컨버터(7)의 운전이 개시된다. 또, 신호 EN2가 「L」 레벨로 되고, 전류 제어부(37)에 의해, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi와 동일한 주파수 및 위상을 갖는 전압 지령치 Vic가 생성된다.
따라서, 컨버터(7)로부터 교류 노드 N1에 공급되는 교류 전압 VAF의 주파수 및 위상이, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 동일하게 되도록 컨버터(7)가 제어된다.
통상 운전 모드시에는, 신호 EN1이 「H」 레벨로 유지되어 PWM 제어부(38)가 활성화되고, 컨버터(7)의 운전이 계속된다. 또, 신호 EN2가 「H」 레벨로 되고, 전류 제어부(37)에 의해, 교류 전압 Vi와 동일한 주파수를 갖고, 편차 ΔIi에 따른 위상을 갖는 전압 지령치 Vic가 생성된다.
따라서, 직류 전압 VD가 참조 전압 VDr보다 낮은 경우에는, 편차 ΔVD, ΔIi가 양의 값이 되고, 전압 지령치 Vic의 위상이 교류 전압 Vi의 위상보다 지연된다. 이것에 의해, 교류 전압 VAF의 위상이 교류 전압 Vi의 위상보다 지연되고, 상용 교류 전원(21)으로부터 컨버터(7)를 거쳐 콘덴서(11)에 전력이 흐르고, 직류 전압 VD가 상승한다.
또, 직류 전압 VD가 참조 전압 VDr보다 높은 경우에는, 편차 ΔVD, ΔIi가 음의 값이 되고, 전압 지령치 Vic의 위상이 교류 전압 Vi의 위상보다 앞선다. 이것에 의해, 교류 전압 VAF의 위상이 교류 전압 Vi의 위상보다 앞서고, 콘덴서(11)로부터 컨버터(7)를 거쳐 상용 교류 전원(21)에 전력이 흐르고, 직류 전압 VD가 하강한다. 따라서, 직류 전압 VD는 참조 전압 VDr로 유지된다.
도 3은, 도 2에 나타내는 신호 EN1, EN2를 생성하는 신호 발생 회로(40)의 구성을 나타내는 회로 블럭도이다. 도 3에 있어서, 신호 발생 회로(40)는, 정전 검출기(41), 비교기(42), AND 게이트(43, 45, 48), 지연 회로(44), 온 검출기(46), 및 판별기(47)를 포함한다.
정전 검출기(41)는, 전압 검출기(36)(도 2)의 출력 신호 Vif에 의해 나타나는 교류 전압 Vi에 근거하여, 상용 교류 전원(21)(도 1)의 정전이 발생했는지 여부를 검출하고, 검출 결과를 나타내는 신호 φ41을 출력한다.
예를 들어, 정전 검출기(41)는, 교류 전압 Vi가 하한 전압 VL보다 낮은 경우에는, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생했다고 판별하여 신호 φ41을 「L」 레벨로 한다. 정전 검출기(41)는, 교류 전압 Vi가 하한 전압 VL보다 높은 경우에는, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하고 있지 않다고 판별하여 신호 φ41을 「H」 레벨로 한다.
비교기(42)는, 전압 검출기(32)(도 2)의 출력 신호 VDf에 의해 나타나는 직류 전압 VD와 소정의 예비 충전 전압 VDPC의 높낮이를 비교하고, 비교 결과를 나타내는 신호 φ42를 출력한다. 직류 전압 VD가 예비 충전 전압 VDPC보다 낮은 경우에는, 신호 φ42는 「L」 레벨로 된다. 직류 전압 VD가 예비 충전 전압 VDPC보다 높은 경우에는, 신호 φ42는 「H」 레벨로 된다.
AND 게이트(43)는, 신호 φ41, φ42의 논리곱 신호를 신호 EN1(도 2)로서 출력한다. 즉, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하고 있지 않고, 한편 직류 전압 VD가 예비 충전 전압 VDPC보다 높은 경우에는, 신호 EN1이 「H」 레벨로 되고, PWM 제어부(38)로부터 제어 신호 CNT가 출력되고, 컨버터(7)가 기동된다. 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 경우에는, 신호 EN1이 「L」 레벨로 되고, PWM 제어부(38)에 의한 제어 신호 CNT의 생성이 정지되고, 컨버터(7)의 운전이 정지된다.
지연 회로(44)는, 신호 EN1이 「L」 레벨로부터 「H」 레벨로 상승되고 나서 소정 시간 Tc의 경과 후에 신호 φ44를 「L」 레벨로부터 「H」 레벨로 상승시킨다. 소정 시간 Tc는, 기동 모드시에 컨버터(7)로부터 교류 노드 N1에 공급되는 교류 전압 VAF의 주파수 및 위상이, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 일치하기 위해서 필요 충분한 시간으로 설정되어 있다.
AND 게이트(45)는, 신호 φ41, φ44의 논리곱 신호를 신호 φ45로서 출력한다. 신호 φ45가 「L」 레벨인 경우에는, 전자 접촉기(3)가 오프된다. 신호 φ45가 「H」 레벨인 경우에는, 전자 접촉기(3)가 온된다.
즉, 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생하고 있지 않고, 한편 컨버터(7)가 기동되고 나서 소정 시간 Tc의 경과 후에 전자 접촉기(3)가 온된다. 상용 교류 전원(21)의 정전이 발생한 경우에는, 신호 φ45가 「L」 레벨로 되고, 전자 접촉기(3)가 오프되고, 상용 교류 전원(21)과 컨버터(7)가 전기적으로 분리된다.
온 검출기(46)는, 전자 접촉기(3)가 온하고 있는지 여부를 검출하고, 검출 결과를 나타내는 신호 EN2(도 2)를 출력한다. 전자 접촉기(3)가 오프하고 있는 경우에는, 신호 EN2는 「L」 레벨로 된다. 전자 접촉기(3)는, 주 전류를 흘리는 주 접점과, 주 접점과 함께 온/오프하는 보조 접점을 포함한다. 온 검출기(46)는, 전자 접촉기(3)의 보조 접점이 온하고 있는지 여부에 근거하여, 전자 접촉기(3)(즉 주 접점)가 온하고 있는지 여부를 검출한다. 즉, 전자 접촉기(3)가 온하면, 전류 제어부(37)(도 2)가 활성화되고, 직류 전압 VD가 참조 전압 VDr로 되도록 컨버터(7)가 제어된다.
또, 판별기(47)는, 비교기(42)의 출력 신호 φ42가 소정 시간 Th(예를 들어 3초)만큼 「H」 레벨로 유지됐는지 여부를 판별하고, 판별 결과를 나타내는 신호 φ47을 출력한다. 신호 φ42가 소정 시간 Th만큼 「H」 레벨로 유지되어 있지 않은 경우에는, 신호 φ47은 「H」 레벨로 된다. 신호 φ42가 소정 시간 Th만큼 「H」 레벨로 유지된 경우에는, 신호 φ47은 「L」 레벨로 된다.
AND 게이트(48)는, 판별기(47)의 출력 신호 φ47과, 조작부(19)로부터의 신호 Pon의 논리곱 신호를 신호 PC로서 출력한다. 신호 Pon는, 조작부(19)의 전원 투입 스위치가 온된 경우에, 「L」 레벨로부터 「H」 레벨로 상승되는 신호이다. 신호 PC가 「L」 레벨인 경우에는, 전자 접촉기(1)(도 1)가 오프한다. 신호 PC가 「H」 레벨인 경우에는, 전자 접촉기(1)가 온한다.
즉, 조작부(19)의 전원 투입 스위치가 온되면, 신호 Pon, PC가 「H」 레벨로 되어 전자 접촉기(1)가 온하고, 예비 충전기(2)에 의한 콘덴서(11)의 충전이 개시된다. 직류 전압 VD가 예비 충전 전압 VDPC보다 높은 상태가 소정 시간 Th만큼 계속하면, 신호 PC가 「L」 레벨로 되어 전자 접촉기(1)가 오프되고, 콘덴서(11)의 예비 충전이 정지된다.
다음에, 이 무정전 전원 장치의 동작에 대해 설명한다. 도 4는, 무정전 전원 장치의 동작을 나타내는 타임 차트이다. 도 4에 있어서, (A)는 신호 Pon의 파형을 나타내고, (B)는 신호 PC의 파형을 나타내고, (C)는 비교기(42)의 출력 신호 φ42의 파형을 나타내고, (D)는 신호 EN1의 파형을 나타내고, (E)는 AND 게이트(45)의 출력 신호 φ45를 나타내고, (F)는 신호 EN2의 파형을 나타내고 있다.
초기 상태(시각 t0)에서는, 신호 Pon, PC, φ42, EN1, φ45, EN2는 모두 「L」 레벨로 되어 있고, 반도체 스위치(17) 및 전자 접촉기(1, 3, 18)가 오프되고, 전자 접촉기(10, 16)가 온되어 있는 것으로 한다. 또, 상용 교류 전원(21)으로부터 교류 전압 Vi가 정상적으로 공급되고 있고, 정전 검출기(41)(도 3)의 출력 신호 φ41은 「H」 레벨로 되어 있는 것으로 한다. 또, 배터리(22)는 미리 참조 전압 VBr에 충전되어 있는 것으로 한다.
임의의 시각 t1에 있어서, 무정전 전원 장치의 사용자에 의해 조작부(19)(도 1, 도 3)가 조작되고, 무정전 전원 장치의 전원이 온된 것으로 한다. 전원이 온되면, 조작부(19)에 의해 신호 Pon가 「H」 레벨로 되고, AND 게이트(48)(도 3)의 출력 신호 PC(도 3)가 「H」 레벨로 된다.
신호 PC가 「H」 레벨로 되면, 전자 접촉기(1)가 온되고, 상용 교류 전원(21)으로부터 전자 접촉기(1)를 거쳐 예비 충전기(2)에 교류 전력이 공급된다. 교류 전력은 예비 충전기(2)에 의해 직류 전력으로 변환되어 직류 라인 L1(도 1)에 공급되고, 콘덴서(11)가 충전되어 직류 전압 VD가 상승한다.
직류 전압 VD가 예비 충전 전압 VDPC보다 높아지면, 비교기(42)(도 3)의 출력 신호 φ42가 「H」 레벨로 상승되고, AND 게이트(43)의 출력 신호 EN1이 「H」 레벨로 상승된다. 신호 EN1이 「H」 레벨로 되면, PWM 제어부(38)(도 2)에 의해 제어 신호 CNT가 생성되고, 컨버터(7)가 기동된다.
이 때, 신호 EN2(도 3)가 「L」 레벨로 되어 있으므로, 전류 제어부(37)는 교류 전압 Vi와 동일한 주파수 및 위상을 갖는 전압 지령치 Vic를 출력한다. 따라서, PWM 제어부(38)는, 컨버터(7)로부터 교류 노드 N1에 공급되는 교류 전압 VAF의 주파수 및 위상이, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 일치하도록 제어 신호 CNT를 생성하여 컨버터(7)를 제어한다.
또, 비교기(42)의 출력 신호 φ42가 소정 시간 Th만큼 「H」 레벨로 유지되면, 판별기(47)에 의해 신호 φ47이 「L」 레벨로 하강되고, 신호 PC가 「L」 레벨로 하강된다(시각 t3). 신호 PC가 「L」 레벨로 되면, 전자 접촉기(1)가 오프되고, 예비 충전기(2)에의 교류 전력의 공급이 정지되고, 콘덴서(11)의 예비 충전이 정지된다.
신호 EN1이 「H」 레벨로 되고 나서 지연 회로(44)의 지연 시간 Tc의 경과 후의 시각 t4에 있어서, AND 게이트(45)의 출력 신호 φ45가 「H」 레벨로 상승된다. 신호 φ45가 「H」 레벨로 되면, 전자 접촉기(3)(도 1, 도 3)가 온된다.
이 때, 컨버터(7)로부터 교류 노드 N1에 공급되는 교류 전압 VAF의 주파수 및 위상이, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 일치하고 있으므로, 전자 접촉기(3)에 흐르는 전류는 작은 값으로 억제되고, 전자 접촉기(3)가 파손하는 것이 방지된다.
도 5는, 교류 전압 Vi, VAF 및 직류 전압 VD의 파형을 나타내는 타임 차트이다. 도 5에 있어서, 도 5(A)는 교류 전압 Vi, VAF의 파형을 나타내고, 도 5(B)는 직류 전압 VD의 파형을 나타내고 있다. 도 5(B)에 나타내는 바와 같이, 예비 충전시에 있어서의 직류 전압 VD는 약 597V였다. 실제로는, 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 삼상 교류 전압을 전파 정류하고 있으므로, 직류 전압 VD는 교류 전압 Vi의 3배의 주파수의 리플 전압을 포함한다.
또, 도 5(A)에 나타내는 바와 같이, 교류 전압 VAF의 주파수 및 위상은, 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 일치하고 있다. 교류 전압 VAF의 진폭은, 교류 전압 Vi의 진폭(약 700V)보다 낮지만, 교류 전압 Vi, VAF의 진폭의 차는 100V 이내로 되어 있다.
종래는, 교류 전압 VAF가 0V인 상태로 전자 접촉기(3)를 온시키고 있었으므로, 전자 접촉기(3)에 큰 전류가 흐르고, 전자 접촉기(3)가 파손할 우려가 있었다. 이것에 대해서, 본 실시의 형태에서는, 교류 전압 Vi와 동일한 주파수 및 위상의 교류 전압 VAF를 생성한 후에 전자 접촉기(3)를 온시키므로, 전자 접촉기(3)에 흐르는 전류를 작게 억제할 수 있고, 전자 접촉기(3)가 파손하는 것을 방지할 수 있다.
다시 도 4를 참조하여, 전자 접촉기(3)가 온되면, 온 검출기(46)의 출력 신호 EN2가 「H」 레벨로 된다(시각 t5). 신호 EN2가 「H」 레벨로 되면, 전류 제어부(37)(도 2)가 활성화된다.
제어 장치(20)(도 2)에서는, 참조 전압 발생기(31)에 의해 참조 전압 VDr가 생성되고, 전압 검출기(32)에 의해 직류 전압 VD의 검출치를 나타내는 신호 VDf가 생성된다. 참조 전압 VDr와, 전압 검출기(32)의 출력 신호 VDf에 의해 나타나는 직류 전압 VD의 편차 ΔVD=VDr-VD가 감산기(33)에서 생성되고, 그 편차 ΔVD에 근거하여 전압 제어부(34)에 의해 전류 지령치 Iir가 생성된다.
전류 지령치 Iir와, 전류 검출기(6)(도 1)의 출력 신호 Iif에 의해 나타나는 컨버터(7)의 입력 전류 Ii의 편차 ΔIi가 감산기(35)에 의해 생성되고, 그 편차 ΔIi에 근거하여 전류 제어부(37)에 의해 전압 지령치 Vic가 생성된다. 따라서, PWM 제어부(38)는, 직류 전압 VD가 참조 전압 VDr로 되도록 제어 신호 CNT를 생성하여 컨버터(7)를 제어하게 된다.
컨버터(7)에 의해 생성되는 직류 전력은, 쌍방향 초퍼(8), 리액터(9), 및 전자 접촉기(10)를 거쳐 배터리(22)에 저장되고, 또한, 인버터(12)에 의해 상용 주파수의 교류 전력으로 변환된다. 인버터(12)에 의해 생성되는 교류 전력은, 리액터(14) 및 콘덴서(15)를 포함하는 저역 통과 필터와, 전자 접촉기(16)를 거쳐 부하(23)에 공급된다. 부하(23)는, 무정전 전원 장치로부터 공급되는 교류 전력에 의해 구동된다.
상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력의 공급이 정지되면, 즉 정전이 발생하면, 정전 검출기(41)(도 3)의 출력 신호 φ41이 「L」 레벨로 하강된다. 신호 φ41이 「L」 레벨로 되면, AND 게이트(43)의 출력 신호 EN1이 「L」 레벨로 하강되고, PWM 제어부(38)(도 2)가 비활성화되고, 제어 신호 CNT의 생성이 정지되어 컨버터(7)의 운전이 정지된다.
또, 신호 φ41이 「L」 레벨로 되면, AND 게이트(45)(도 3)의 출력 신호 φ45가 「L」 레벨로 하강되고, 전자 접촉기(3)가 오프되고, 상용 교류 전원(21)과 컨버터(7)가 전기적으로 분리되는 것과 동시에, 온 검출기(46)의 출력 신호 EN2가 「L」 레벨로 하강된다.
한편, 배터리(22)(도 1)의 직류 전력이 쌍방향 초퍼(8)에 의해 인버터(12)에 공급된다. 인버터(12)는, 쌍방향 초퍼(8)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(23)에 공급한다. 따라서, 배터리(22)에 직류 전력이 저장되어 있는 기간은, 부하(23)의 운전을 계속할 수 있다.
또, 상용 교류 전원(21)이 정상인 경우에 있어서, 인버터(12)가 고장난 경우에는, 반도체 스위치(17)(도 1)가 순간적으로 온하고, 전자 접촉기(16)가 오프함과 함께, 전자 접촉기(18)가 온한다. 이것에 의해, 상용 교류 전원(21)으로부터의 교류 전력이 반도체 스위치(17) 및 전자 접촉기(18)를 거쳐 부하(23)에 공급되고, 부하(23)의 운전이 계속된다. 일정 시간 후에 반도체 스위치(17)가 오프되고, 반도체 스위치(17)가 과열되어 파손하는 것이 방지된다.
이상과 같이, 이 실시의 형태에서는, 컨버터(7)로부터 교류 노드 N1에 공급되는 교류 전압 VAF의 주파수 및 위상이 상용 교류 전원(21)으로부터 공급되는 교류 전압 Vi의 주파수 및 위상과 일치하도록 컨버터(7)를 제어한 후에, 전자 접촉기(3)를 온시킨다. 따라서, 전자 접촉기(3)의 한쪽 단자 및 다른 쪽 단자간의 전압을 감소시켜 전자 접촉기(3)를 온시키므로, 전자 접촉기(3)에 과전류가 흘러 전자 접촉기(3)가 파손하는 것을 방지할 수 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.
T1 : 교류 입력 단자 T2 : 배터리 단자
T3 : 교류 출력 단자 1, 3, 10, 16, 18 : 전자 접촉기
6, 13 : 전류 검출기 4, 11, 15 : 콘덴서
5, 9, 14 : 리액터 7 : 컨버터
8 : 쌍방향 초퍼 12 : 인버터
17 : 반도체 스위치 19 : 조작부
20 : 제어 장치 21 : 상용 교류 전원
22 : 배터리 23 : 부하
31 : 참조 전압 발생기 32, 36 : 전압 검출기
33, 35 : 감산기 34 : 전압 제어부
37 : 전류 제어부 38 : PWM 제어부
40 : 신호 발생 회로 41 : 정전 검출기
42 : 비교기 43, 45 : AND 게이트
44 : 지연 회로 46 : 온 검출기
47 : 판별기

Claims (5)

  1. 한쪽 단자가 교류 전원으로부터 공급되는 제 1 교류 전압을 받고, 다른 쪽 단자가 교류 노드에 접속되는 스위치와,
    직류 노드에 접속되고, 직류 전력을 저장하는 콘덴서와,
    상기 교류 노드와 상기 직류 노드 사이에 전력을 수수하는 순변환기와,
    제 1 모드시에는, 상기 순변환기로부터 상기 교류 노드에 공급되는 제 2 교류 전압의 주파수 및 위상이 상기 제 1 교류 전압의 주파수 및 위상과 일치하도록 상기 순변환기를 제어한 후에, 상기 스위치를 온시키고, 상기 제 1 모드 후의 제 2 모드시에는, 상기 순변환기로부터 상기 직류 노드에 공급되는 직류 전압이 참조 전압으로 되도록 상기 순변환기를 제어하는 제어 장치를 구비하는
    전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 모드가 실행되기 전에, 상기 콘덴서를 미리 정해진 직류 전압으로 충전하는 예비 충전기를 더 구비하는 전력 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 노드와, 부하에 접속되는 출력 노드 사이에 전력을 수수하는 역변환기를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제 2 모드시에는, 상기 역변환기로부터 상기 출력 노드에 공급되는 제 3 교류 전압의 주파수 및 위상이 상기 제 1 교류 전압의 주파수 및 위상과 일치하도록 상기 역변환기를 제어하는
    전력 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 교류 전압을 받고, 상기 역변환기가 정상인 경우에는 상기 제 3 교류 전압을 상기 부하에 공급하고, 상기 역변환기가 고장난 경우에는 상기 제 1 교류 전압을 상기 부하에 공급하는 전환 회로를 더 구비하는 전력 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 교류 전원이 정상인 경우에는, 상기 순변환기에 의해 생성되는 직류 전력의 일부를 전력 저장 장치에 저장하고, 상기 교류 전원의 정전시에는, 상기 전력 저장 장치의 직류 전력을 상기 역변환기에 공급하는 쌍방향 초퍼를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 교류 전원의 고장시에는, 상기 스위치를 오프시키는 것과 동시에, 상기 직류 노드에 나타나는 직류 전압이 상기 참조 전압으로 되도록 상기 쌍방향 초퍼를 제어하는
    전력 변환 장치.
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