特許 7129258 無停電電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-08-24

(45)【発行日】2022-09-01

(54)【発明の名称】無停電電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 9/06 20060101AFI20220825BHJP

【ＦＩ】

H02J9/06 120

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018138381

(22)【出願日】2018-07-24

(65)【公開番号】P2020018054

(43)【公開日】2020-01-30

【審査請求日】2021-04-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000110778

【氏名又は名称】ニシム電子工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099634

【弁理士】

【氏名又は名称】平井 安雄

(72)【発明者】

【氏名】土本 和秀

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 俊郎

【審査官】佐藤 卓馬

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－２５９５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０６５９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０２８７８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流入力と交流出力との間の給電ラインに接続され、前記交流入力の電圧値に応じてオン／オフを切り替えるサイリスタを用いた給電スイッチと、
前記給電スイッチに交流側が直列接続される直列電力変換手段と、
前記交流出力に交流側が並列接続される並列電力変換手段と、
前記直列電力変換手段の直列側、及び前記並列電力変換手段の直列側に接続される蓄電手段と、
前記直列電力変換手段及び前記並列電力変換手段の間に直列に接続されるリアクトルとを備え、
前記並列電力変換手段が、前記交流出力の電圧の位相を前記交流入力の電圧の位相と同期させつつ、当該交流出力の電圧値を予め設定された所定値に維持して出力し、前記直列電力変換手段が、前記直列電力変換手段と前記リアクトルとの間の制御電圧が前記所定値となるように、当該直列電力変換手段の出力電圧の位相及び振幅を調整することを特徴とする無停電電源装置。

【請求項2】

請求項１に記載の無停電電源装置において、
前記給電スイッチと前記直列電力変換手段との間に直列に接続されるＬＣフィルタからなる第１フィルタと、
前記交流出力と前記並列電力変換手段との間に並列に接続されるＬＣフィルタからなる第２フィルタとを備える無停電電源装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の無停電電源装置において、
前記直列電力変換手段が、前記制御電圧の位相を前記交流入力の電圧の位相よりも進む方向に位相調整して、当該制御電圧を前記所定値とする無停電電源装置。

【請求項4】

請求項３に記載の無停電電源装置において、
前記直列電力変換手段が、前記蓄電手段への充電電力を前記制御電圧の位相の進み具合を調整して制御する無停電電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、健全時には安定した電力を供給しつつ、異常が発生した場合には蓄電手段の電力を負荷に供給する無停電電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

入力電圧に異常が発生した場合に、無停電で電力供給を維持する技術として、例えば特許文献１ないし３に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、入力商用電源電圧変動範囲が所定値以内の運転モードで、前記電力貯蔵手段の電圧が予め設定した値よりも高くなった条件で、一時的に直列補償用の直列コンバータ（第１のＤＣ／ＡＣ変換器）の動作を休止させ、電力貯蔵手段からの電力で並列コンバータ（第２のＤＣ／ＡＣ変換器）を介して負荷に電力を供給するものである。

【0003】

特許文献２に示す技術は、交流電源と負荷との間に切り離しスイッチを設け、切り離しスイッチと負荷との間に負荷と並列に変圧器の一次側を接続し、その二次側に、交流電源の健全時には入力される交流電圧から交流電源の実出力電圧Ｖ_ＲＥＬと負荷に供給すべき規定電圧Ｖ^＊との差である交流の補正電圧ΔＶを出力し、停電時には昇降圧部で昇圧された蓄電手段の蓄電電圧を交流電力に変換して変圧器の二次側に印加する変換器を接続し、変換器の容量は、交流電源の出力電圧変動分相当を満足すればよいから、定常運転時の変換器の損失低減を図ることができるものである。

【0004】

特許文献３に示す技術は、交流電源と負荷３の間に波形改善及び力率改善を行うための第１の変換器と電圧調整のための第２の変換器とを接続し、第１の変換器と第２の変換器とで共用するコンデンサ及び蓄電池を設け、電源が正常の時には、第１の変換器によって波形改善及び力率改善の補償電流を流すと共にコンデンサと蓄電池を定電圧に充電し、電源が停電した時には、コンデンサ及び蓄電池の直流電圧を第１の変換器で交流に変換して負荷に供給し、第２の変換器はコンデンサ及び蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換し、負荷電圧を調整するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第４３０４５１９号

【文献】特許第４３８９３８７号

【文献】特許第３０８２８４９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１及び３に示す技術において、交流入力の電圧が正常範囲にない場合には、スイッチをオフにして並列電力変換器がバックアップ運転を行うが、正常範囲にないことを検出する時間と並列電力変換器が電流制御モードから電圧制御モードへ切り替わる時間を要するため、負荷に対して瞬断を発生させる場合がある。

【0007】

また、特許文献１ないし３に示す技術は、いずれもトランスを用いた回路構成になっていることから装置が大型化してしまう。さらに、典型的にはトランスの容量は定格出力容量の１５％程度であり、電力変換器側のトランス巻線定格が１００Ｖであるとすれば、商用ライン側のトランス巻線定格は１５Ｖ程度となり、交流入力の電圧と電流との極性が異なっている期間に交流入力側で短絡が発生した場合には、トランスの１５Ｖ巻線に並列電力変換器の交流出力電圧が印加され、その出力電圧が１００Ｖである場合にはトランスが飽和し、スイッチがオフするまでの間、交流入力側へ過電流が流れ、最大で１／２サイクルの瞬断が発生し、負荷によっては停止する可能性がある。

【0008】

さらに、商用ラインをオン／オフするスイッチとして、瞬時過電流耐量が大きく堅牢であることからサイリスタスイッチが一般的に利用されているが、非自己消弧素子であるため、オフ信号を与えてもサイリスタ本体を流れる電流が保持電流以下にならないと完全にオフしない。すなわち、保持電流以下になるまではスイッチが切れずに過電流が流れてしまい、瞬断が生じる可能性がある。

【0009】

なお、引用文献１においては、アクティブフィルタ動作により力率を改善する動作を行うとしているが、力率を完全に１にすることは困難であり、入力の電圧と電流とのゼロクロス付近は、それぞれの極性が異なっている期間が必ず存在してしまう。

【0010】

本発明は、トランスなどの大型装置を用いることなく、電圧の位相調整により停電や瞬低などの異常が発生した場合であっても瞬断することなく負荷に電力を供給する無停電電源装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る無停電電源装置は、交流入力と交流出力との間の給電ラインに接続され、前記交流入力の電圧値に応じてオン／オフを切り替えるサイリスタを用いた給電スイッチと、前記給電スイッチに交流側が直列接続される直列電力変換手段と、前記交流出力に交流側が並列接続される並列電力変換手段と、前記直列電力変換手段の直列側、及び前記並列電力変換手段の直列側に接続される蓄電手段と、前記直列電力変換手段及び前記並列電力変換手段の間に直列に接続されるリアクトルとを備え、前記並列電力変換手段が、前記交流出力の電圧の位相を前記交流入力の電圧の位相と同期させつつ、当該交流出力の電圧値を予め設定された所定値に維持して出力し、前記直列電力変換手段が、前記直列電力変換手段と前記リアクトルとの間の制御電圧が前記所定値となるように、当該直列電力変換手段の出力電圧の位相及び振幅を調整するものである。

【0012】

このように、本発明に係る無停電電源装置においては、交流入力と交流出力との間の給電ラインに接続され、前記交流入力の電圧値に応じてオン／オフを切り替えるサイリスタを用いた給電スイッチと、前記給電スイッチに交流側が直列接続される直列電力変換手段と、前記交流出力に交流側が並列接続される並列電力変換手段と、前記直列電力変換手段の直列側、及び前記並列電力変換手段の直列側に接続される蓄電手段と、前記直列電力変換手段及び前記並列電力変換手段の間に直列に接続されるリアクトルとを備え、前記並列電力変換手段が、前記交流出力の電圧の位相を前記交流入力の電圧の位相と同期させつつ、当該交流出力の電圧値を予め設定された所定値に維持して出力し、前記直列電力変換手段が、前記直列電力変換手段と前記リアクトルとの間の制御電圧が前記所定値となるように、当該直列電力変換手段の出力電圧の位相及び振幅を調整するため、トランスなどの大型部品を必要とせずに回路構成を簡素化しつつ、異常が発生した場合であっても瞬断を確実に防止することができる高性能な無停電電源装置を実現することができるという効果を奏する。

【0013】

特に、交流入力の電圧と電流との極性が異なっている期間において、短絡停電が発生した場合、直列電力変換手段が交流入力に直列に接続され、リアクトルの両端に印加される電圧が等しくなるように直列電力変換手段が制御することで、並列電力変換手段のバックアップ運転切り替え時に発生する過電流がほとんど流れることなく、また、これに伴う出力電圧の低下が発生しないため、完全な無瞬断でバックアップ運転に切り替えることができるという効果を奏する。

【0014】

また、リアクトルの値は蓄電手段の充電電力を制御できる範囲であればよく、交流入力と交流出力とが位相差を生じる程度で良いため、リアクトルを小型化し損失も少なくて済み、高効率な装置を実現することが可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す機能ブロック図である。

【図2】２つの電源がリアクトルを介して結合している場合を示す図である。

【図3】第１の実施形態に係る無停電電源装置の入力交流電圧が正常範囲にある場合のパワーフローを示す図である。

【図4】交流入力電圧等の各電圧のベクトル関係図である。

【図5】第１の実施形態に係る無停電電源装置の入力交流電圧が正常範囲にない場合のパワーフローを示す図である。

【図6】並列電力変換器から交流入力側へ発生する過電流を示す図である。

【図7】第１の実施形態に係る無停電電源装置の制御ブロック図である。

【図8】第１の実施形態に係る無停電電源装置における直列電力変換器制御部の制御ブロック図である。

【図9】第１の実施形態に係る無停電電源装置における並列電力変換器制御部の正常状態における制御ブロック図である。

【図10】第１の実施形態に係る無停電電源装置における並列電力変換器制御部の異常状態における制御ブロック図である。

【図11】第１の実施形態に係る無停電電源装置における電力変換器の他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

【0017】

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る無停電電源装置について、図１ないし図１０を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す機能ブロック図である。無停電電源装置１は、交流入力側の入力端子２ａ，２ｂに接続する交流電源２と、交流出力側の出力端子３ａ，３ｂに接続する負荷３と、交流電源２及び負荷３の間に接続され、当該接続のオン／オフを入力電圧に応じて切り替えるサイリスタを用いた給電スイッチ４と、給電スイッチ４に直列に接続される第１フィルタ回路５と、当該第１フィルタ回路５に交流側が接続される直列電力変換器６と、交流出力側の負荷３に並列に接続される第２フィルタ回路７と、当該第２フィルタ回路７に交流側が接続される並列電力変換器８と、直列電力変換器６の直列側端子及び並列電力変換器８の直列側端子のそれぞれに接続される蓄電池９と、第１フィルタ回路５及び第２フィルタ回路７の間に直列に接続されるリアクトル１０とを備える。

【0018】

商用電源としての交流電源２が供給する交流入力電圧（Ｖｉ）は、交流入力電圧検出部（図１においては図示しない）が常時検出しており、電圧が正常範囲（例えば、周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで電圧が９０Ｖ～１１０Ｖの範囲）にある場合には、給電スイッチ４がオン状態になっており、並列電力変換器８は、負荷３への交流出力の電圧の位相が交流電源２と同相となるように同期させつつ、一定の出力電圧（例えば、１００Ｖ）を負荷３に出力するように制御する（Ｖｏ）。

【0019】

交流電源２の電圧が変動した場合には、直列電力変換器６が、第１フィルタ回路５とリアクトル１０との間の相電圧（Ｖｓｔ）の実効値が交流出力電圧（Ｖｏ）と同値となるように、第１フィルタ回路５の出力電圧（Ｖｃ）を交流入力電圧（Ｖｉ）にベクトル的に加減算する。この加減算によりＶｓｔとＶｏが同値となることで交流電源２と並列電力変換器８との間に発生する循環無効電流を抑制する。また、このベクトル演算において、第１フィルタ回路５の出力電圧Ｖｃの位相を相電圧Ｖｓｔの位相が交流出力電圧Ｖｏの位相よりも進むように加減算することで、交流入力の電力をリアクトル１０、第２フィルタ回路７及び並列電力変換器８を介して直流電力に変換して蓄電池９を定電流・定電圧制御で充電する。このベクトル演算による処理動作については、詳細を後述する。

【0020】

交流入力電圧Ｖｉが正常の範囲にない場合（例えば、電圧が９０Ｖ未満、１１０Ｖよりも大きくなった場合）は、交流入力電圧検出部（図１においては図示しない）が異常状態を検出し給電スイッチ４にオフ信号を与える。無停電電源装置１は、異常状態においては、蓄電池９の電力を負荷３に供給するように動作する。このとき、並列電力変換器８が、上記と同様に交流出力電圧Ｖｏが一定の出力電圧（例えば、１００Ｖ）となるように出力制御されることで、負荷３に対して異常状態になる前と同様の電力を継続して供給することが可能となる。

【0021】

正常状態から異常状態に遷移する際に、上述したように給電スイッチ４にオフ信号を与えるが、サイリスタを用いた給電スイッチ４の本体が実質的にオフとなり、保持電流以下になるまでに所定の期間が生じる場合がある。従来は、その期間に過電流が流れてしまい、瞬断が生じる可能性があった。しかしながら、本実施形態においては、給電スイッチ４にオフ信号を与えてから、給電スイッチ４の本体が実質的にオフとなるまでの期間に、リアクトル１０の両端の電圧値が０、すなわち、Ｖｓｔ＝Ｖｏとなるように直列電力変換器６が電圧Ｖｃを制御することで、交流出力に流れる過電流を抑制し、蓄電池９の電力を並列電力変換器８によって定格の交流電圧を一定に制御しながら完全な無瞬断で負荷３への電力を供給することが可能となる。

【0022】

ここで、直列電力変換器６の機能及びベクトル演算による処理動作について、詳細に説明する。まず、２つの電源がリアクトルＬを介して結合している場合の両電源間における有効電力及び無効電力について、図２を用いて説明する。図２（Ａ）の回路において、有効電力Ｐ（Ｗ）は、ＶｉとＶｏの位相差をθとすると、次式で表せる。

【0023】

【数1】

【0024】

また、無効電力Ｐ（ｖａｒ）は次式で表せる。

【0025】

【数2】

【0026】

図２（Ｂ）に示すように、位相が一致している場合は位相差θがゼロであり、（１）式よりＶｉ及びＶｏ間には有効電力は流れない。また、電圧値も一致している場合は、（２）式より無効電力も流れない。図２（Ｃ）に示すように、ＶｉがＶｏよりも位相が進んでいる場合は、（１）式よりＶｉからＶｏへ有効電力が流れる。図２（Ｄ）に示すように、ＶｉがＶｏよりも電圧値が高い場合は、（２）式よりＶｉからＶｏへ無効電力が流れる。なお、図２（Ｃ）において、逆にＶｏがＶｉよりも位相が進んでいる場合は、（１）式よりＶｏからＶｉへ有効電力が流れる。また、図２（Ｄ）において、逆にＶｏがＶｉよりも電圧値が高い場合は、（２）式よりＶｏからＶｉへ無効電力が流れる。上記（１）式及び（２）式は、それぞれに絡み合っているが、実際の装置の動作として位相差の最大制御値は１０度程度であることから、本実施形態においては、上記２つの式はそれぞれ独立しているものとして取り扱う。

【0027】

上記（１）式及び（２）式を前提として、交流入力電圧Ｖｉが正常範囲にある場合の演算及び処理動作について説明する。図３は、本実施形態に係る無停電電源装置の入力交流電圧が正常範囲にある場合のパワーフローを示す図である。並列電力変換器８は、当該並列電力変換器８の交流出力電圧Ｖｏが交流入力電圧Ｖｉと同期し、位相も一致するように制御する。このとき、Ｖｏの値は定格値（ここでは、１００Ｖとする）となるように定電圧制御モードで動作する。一方、直列電力変換器６は、交流入力電圧Ｖｉが正常範囲で変動（例えば、９０Ｖ～１１０Ｖ）した場合であっても、第１フィルタ回路５とリアクトル１０との間の相電圧Ｖｓｔが１００Ｖで一定となるように、直列電力変換器６の出力電圧Ｖｃを電圧制御する。すなわち、Ｖｉ＋Ｖｃ＝Ｖｓｔ＝１００Ｖとなるように電圧制御する。このとき、直列電力変換器６は、単純に出力電圧Ｖｃを交流入力電圧Ｖｉに加算するのではなく、位相をずらしてベクトル的に演算を行う。つまり、相電圧Ｖｓｔの位相がＶｏの位相よりも進むようにＶｃを制御することで、電力は位相が進んでいる側から遅れている側に強制的に流れ込み、並列電力変換器８を通って蓄電池９に充電される。

【0028】

図４は、Ｖｏ、Ｖｉ、Ｖｓｔ及びＶｃのベクトルの関係を示す図である。図４（Ａ）は蓄電池９への充電電力が小さくなる場合、図４（Ｂ）は蓄電池９への充電電力が大きくなる場合のベクトルの関係を示している。図４において、交流入力電圧Ｖｉと交流出力電圧Ｖｏとは位相が一致しているため、ベクトルの方向も一致している。交流出力電圧Ｖｏは、並列電力変換器８により１００Ｖで一定となっているのに対して、交流入力電圧Ｖｉは正常範囲で変動がある。図４において、例えば１００Ｖよりも小さくなった場合のベクトル（スカラー値として）が示されている。

【0029】

直流電力変換器６は、ＶｓｔがＶｏと同値（１００Ｖで一定）となるようにＶｃを制御する。このとき、充電電力の設定に応じてθ、すなわち位相の進み具合が制御される。θが大きいほど、蓄電池９に充電される充電電力が大きくなり、θの大きさで充電電力量を調整することができる。なお、負荷３にはＶｏが印加されるため、並列電力変換器８により蓄電池９の電力が使用され蓄電池量が減少していくが、蓄電池量が減少すると交流入力側から充電電力が蓄電池９に流れ込むため、結果的に負荷３への電力は交流入力側から供給されることになる。

【0030】

また、交流入力電圧Ｖｉが仮に１００Ｖで一定である場合であっても、直列電力変換器６は、蓄電池９を充電するためにベクトル的に電圧を加算する必要がある。ＶｓｔとＶｏに位相差が発生しなければ、交流入力側からの有効電力の流れ込みは発生しない。上記（１）式より、θ＝０であれば有効電力Ｐが生じない。したがって、この場合、負荷３への電力は並列電力変換器８から蓄電池９の電力で賄われ、蓄電池９への充電が行われずに放電する一方となる。つまり、交流入力電圧Ｖｉが１００Ｖで交流出力電圧Ｖｏと一致している場合であっても、θを変化させて蓄電池９への充電動作を行う必要がある。

【0031】

仮に、交流入力電圧Ｖｉが１００Ｖ以外のときに、直列電力変換器６がＶｃを調整してベクトル的な演算を行わなかった場合、Ｖｉ＝Ｖｓｔとなり、Ｖｏは並列電力変換器８の出力電圧である１００Ｖであるため、Ｖｉ及びＶｓｔとＶｏとの間に電位差が生じ、回路に循環無効電流が流れ、回路損失が大きくなってしまう。また、並列電力変換器８の出力電圧であるＶｏは、交流入力電圧Ｖｉに同期しており、位相も一致しているため（θ＝０）、負荷３の電力は交流入力側から供給されず、並列電力変換器８から供給され、蓄電池９が放電する一方となってしまう。

【0032】

なお、図４においては、Ｖｉ＜Ｖｏの状態におけるＶｃのベクトル演算（加算）を示しているが、Ｖｉ＞Ｖｏの状態においては、Ｖｃをベクトル減算することでＶｓｔとＶｏとを同値にする演算が行われる。

【0033】

このように、直列電力変換器６が、リアクトル１０の前段の電圧Ｖｓｔを交流出力電圧Ｖｏに対して電圧値と位相を制御することで、回路に流れる循環無効電流をなくして回路損失を低減すると共に、蓄電池９への充電を確実に行うことが可能となる。

【0034】

次に、交流入力電圧Ｖｉが正常範囲にない場合の演算及び処理動作について説明する。図５は、本実施形態に係る無停電電源装置の入力交流電圧が正常範囲にない場合のパワーフローを示す図である。短絡事故などの発生により交流入力電圧Ｖｉが正常範囲にない場合（例えば、Ｖｉ＜９０Ｖ又はＶｉ＞１１０Ｖ）は、給電スイッチ４をオフにし、直列電力変換器６を停止する。並列電力変換器８は、交流入力電圧Ｖｉとの同期を辞めて自走周波数（６０Ｈｚ又は５０Ｈｚ固定）で動作する。負荷３への電力供給は、並列電力変換器８が蓄電池９の電力を使用して行われる。このときの電圧及び電流の経路は、図５に示す通りとなる。

【0035】

正常状態から異常状態への切り替えの際に、上述したように給電スイッチ４をオフにするが、サイリスタを使用した給電スイッチ４は、非自己消弧素子であるため、オフ信号を与えても素子本体を流れる電流がゼロにならない限り、実際には導通状態が維持されたままになってしまう。このとき、仮に、上述したような直列電力変換器６を備えていない回路であったり、Ｖｓｔ＝Ｖｏとなる制御を行わない回路である場合は、入力短絡停電が発生すると、図６に示すように並列電力変換器８から交流入力側へ短絡箇所を通って過電流が発生する。そして、過電流がゼロになると（ゼロクロスすると）、ようやくサイリスタがオフとなり過電流も流れなくなり、負荷３に電力を供給できるようになる。つまり、過電流が発生している間は負荷３に電力が供給されず、瞬断が発生してしまうことになる。

【0036】

このような問題に対して、本実施形態においては、直列電力変換器６が｜Ｖｓｔ｜＝｜Ｖｏ｜となる制御を常時行っており、また、交流入力から負荷３へ電力を供給するようにＶｓｔの位相を進める制御も行っているため、サイリスタを使用した給電スイッチ４がオフするまでの間は、入力側に過電流が流れることはない。したがって、負荷３へのバックアップ運転の切り替えを完全なる無瞬断で行うことが可能となる。

【0037】

次に、本実施形態に係る無停電電源装置の制御について、より詳細に説明する。図７は、本実施形態に係る無停電電源装置の制御ブロック図である。無停電電源装置１は、図１で示した回路構成に対して、交流入力電圧Ｖｉを検出する交流入力電圧検出器６１と、蓄電池９の直流電流を検出する直流電流検出器６２と、蓄電池９の直流電圧を検出する直流電圧検出器６３と、第１フィルタ回路５とリアクトル１０との間の相電圧を検出する制御電圧検出器６４と、交流出力電圧Ｖｏを検出する交流出力電圧検出器６５と、交流入力電圧Ｖｉ、蓄電池９の充電電流Ｉｄｃ、蓄電池９の充電電圧Ｖｄｃ、制御電圧Ｖｓｔ及び交流出力電圧Ｖｏに基づいて直列電力変換器６を制御する直列電力変換器制御部６６と、交流入力電圧Ｖｉ及び交流出力電圧Ｖｏに基づいて並列電力変換器８を制御する並列電力変換器制御部６７とを備える。

【0038】

上述したように、直列電力変換器制御部６６及び並列電力変換器制御部６７が、それぞれ直列電力変換器６及び並列電力変換器８の動作を制御することで、交流入力電圧Ｖｉが正常範囲にある場合の交流入力電圧Ｖｉの変動に応じた負荷３への安定的な電力供給や、交流入力電圧Ｖｉが正常範囲にない場合の負荷３への安定的な電力供給を実現することが可能となっている。また、併せて、交流入力電圧Ｖｉが正常状態から異常状態に遷移する際には、直列電力変換器制御部６６及び並列電力変換器制御部６７の制御動作により、無瞬断での動作切り替えを可能としている。

【0039】

図８は、本実施形態に係る無停電電源装置における直列電力変換器制御部の制御ブロック図である。直列電力変換器６は、上述したように、蓄電池９に対して定電流及び定電圧充電制御を行う。ＰＬＬにおいて、交流入力電圧Ｖｉと同期した基準正弦波に、蓄電池９への充電量に応じた位相スライド指示値を与えることによって、交流入力電圧Ｖｉに対して直列電力変換器６が同期を取りながら制御電圧Ｖｓｔの位相を調整し、蓄電池９への充電電力を制御する。この位相調整によって、交流入力側の電力は、リアクトル１０、第２フィルタ回路７及び並列電力変換器８を介して直流電力に変換されて蓄電池９へ充電される。

【0040】

位相調整を行う際の位相スライド指示値は、直流電流検出器６２で検出された直流電流Ｉｄｃと充電電流指示値Ｉｄｃｒｅｆとの差分を増幅した第１の値と、直流電圧検出器６３で検出された直流電圧Ｖｄｃと充電電圧指示値Ｖｄｃｒｅｆとの差分を増幅した第２の値とをＯＲで構成し、蓄電池９の直流電圧Ｖｄｃが充電電圧指示値Ｖｄｃｒｅｆよりも低く、蓄電池９に流れる直流電流が大きい場合は第１の値が選択され、蓄電池９の直流電圧Ｖｄｃが充電電圧指示値Ｖｄｃｒｅｆよりも高く、蓄電池９に流れる直流電流が小さい場合は第２の値が選択されて、位相スライド指示値が決定する。

【0041】

次に、直列電力変換器６は、制御電圧検出器６４で検出された相電圧Ｖｓｔの実効値が交流出力電圧Ｖｏの実効値となるように、交流出力電圧Ｖｏの実効値（１）と交流入力電圧Ｖｉに同期した基準正弦波（２）とを乗算器で乗算した波形と、制御電圧検出器６４が検出する制御電圧Ｖｓｔとの差分を増幅し、ＰＷＭ制御部においてパルス変調信号を生成し、直列電力変換器６を駆動する。すなわち、交流入力電圧Ｖｉが正常範囲にある場合は、交流出力電圧Ｖｏの変動に対して制御電圧Ｖｓｔが追従するため、交流入力電圧Ｖｉと交流出力電圧Ｖｏとの電圧差により生じてしまう並列電力変換器８から交流入力側への過電流を防止することができる。また、交流入力電圧Ｖｉの異常によりバックアップ運転となる場合は、給電スイッチ４が実質的に停止するまでは直列電力変換器６により過電流が流れることを防止し、切り替えの際に生じる瞬断を完全に無くすことができる。

【0042】

図９は、本実施形態に係る無停電電源装置における並列電力変換器制御部の正常状態における制御ブロック図である。並列電力変換器８は、交流入力電圧Ｖｉが正常範囲にある場合は、ＰＬＬにおいて交流入力電圧Ｖｉの位相と同期した基準正弦波に出力電圧振幅指示値（例えば、１００Ｖの指示値）を乗算した値で一定となるように交流出力電圧Ｖｏをフィードバック制御する。

【0043】

図１０は、本実施形態に係る無停電電源装置における並列電力変換器制御部の異常状態における制御ブロック図である。交流入力電圧Ｖｉが異常範囲になると、給電スイッチ４のサイリスタをオフし、並列電力変換器８は充電動作からバックアップ動作に切り替えられる。このとき、並列電力変換器８の交流出力電圧Ｖｏは、基準正弦波と交流出力電圧振幅指示値を乗算した値となるようにフィードバック制御される。

【0044】

なお、本実施形態においては、直列電力変換器６及び並列電力変換器８をフルブリッジ回路で記載したが、フルブリッジ回路に限らず、図１１に示すようなハーフブリッジ回路としてもよい。

【0045】

以上のように、本実施形態に係る無停電電源装置においては、交流入力電圧と電流との極性がことなっている期間において短絡停電が発生し、バックアップ動作に切り替わる際に、直列電力変換器がリアクトルの両端に印加される電圧がゼロとなるように制御することで、過電流が流れることを防止し、これに伴う出力電圧の低下を無くして完全な無瞬断で切り替え動作を行うことが可能になる。

【0046】

また、リアクトルの値は、蓄電池の充電電力を制御できる範囲であればよく、すなわち交流入力電圧と交流出力電圧とが電位差を発生できる範囲であればいいため、リアクトルを小型化し、損失を小さくして装置を高効率化することができる。

【符号の説明】

【0047】

１ 無停電電源装置
２ 交流電源
２ａ，２ｂ 入力端子
３ 負荷
３ａ，３ｂ 出力端子
４ 給電スイッチ
５ 第１フィルタ回路
６ 直列電力変換器
７ 第２フィルタ回路
８ 並列電力変換器
９ 蓄電池
１０ リアクトル
６１ 交流入力電圧検出器
６２ 直流電流検出器
６３ 直流電圧検出器
６４ 制御電圧検出器
６５ 交流出力電圧検出器
６６ 直列電力変換器制御部
６７ 並列電力変換器制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】