JP2007228661A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数精度が悪いバイパス電源であっても、蓄電池によるインバータ給電からバイパス電源による負荷給電に切替えることが可能な無停電電源装置を提供する。
【解決手段】交流入力電源１の交流を直流に変換するコンバータ４と、コンバータ４により変換された直流を交流に変換して負荷１３へ供給するインバータ７と、インバータ７の入力側に接続された蓄電手段６と、負荷１３への電力供給をバイパス電源１０側またはインバータ７側のいずれかに切替える切替え手段とを備えた無停電電源装置において、インバータ７が通常運転中は、切替え手段の切替えを可能とするインバータ７とバイパス電源１０の周波数差を第１の所定の範囲とし、インバータ７が蓄電手段６から供給される電力で運転中は、切替え手段の切替えを可能とするインバータ７とバイパス電源１０の周波数差を前記第１の所定の範囲より広い第２の所定の範囲に切替えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は無停電電源装置に係り、特にバイパス電源周波数追従機能を改善した無停電電源装置に関する。

近年の高度情報化社会の進展に伴い、電力供給の分野ではその供給信頼性が問われてきている。このため無停電電源装置の役割は益々重要になってきている。

通常の無停電電源装置は、交流入力電源の交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、この直流電力をインバータにより再び交流電力に変換して、負荷に電力を供給する。インバータの入力となる直流部には蓄電池等を接続し、交流入力停電等の交流入力異常時にも負荷に電力が供給できるようにしている。また、バイパス電源から負荷に直接給電するバイパス回路による切替え手段を設け、インバータが故障した場合、或いはインバータの保守点検時に負荷に電力を供給できるような構成となっている。この場合、常時は交流入力電源からコンバータを通してインバータ経由の給電が行われ、インバータあるいはコンバータが異常となった場合、またこれ等の保守点検を行なう場合にバイパス電源の給電に切替える。

上記の構成において、切替え手段を切替えて無停電電源装置による通常の運転からバイパス用交流電源に移行するとき、負荷に与える外乱を少なくするため、バイパス電源の周波数とインバータの出力周波数が所定の周波数差に入っている状態でインバータの出力周波数をパイパス電源の周波数に追従制御し、両者の出力周波数及び位相が略一致した同期状態で切替えを行なうのが通常である。

上記のインバータ周波数の追従制御は、バイパス電源が安定している場合は問題なく行なえるが、バイパス電源が例えば小容量の非常用自家発電装置から供給されるような場合、その出力周波数は安定せず、同期状態で切替えを行なうことが困難であった。このバイパス電源が不安定となる現象は、交流入力電源とバイパス電源が共に停電し、蓄電池によるインバータ運転に切替ったあと、バイパス電源として非常用自家発電装置が立ち上がった状態で生じることが多い。

以上の問題に対し、バイパス電源である非常用自家発電装置側の周波数が同期追従範囲に入るように非常用自家発電装置の出力周波数を追従制御する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平１０−２５７６９３号公報（３−５頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、バイパス電源の周波数を所望の周波数範囲に制御することができるので、切替え手段を切替えて蓄電池によるインバータの給電からバイパス電源による給電に移行することが可能となる。

しかしながら、バイパス電源は商用電源又は非常用自家発電装置から供給されることが専らで、その周波数の精度が悪い場合もあり、特許文献１に示された手法を採用することができないことがある。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、周波数精度が悪いバイパス電源であっても、蓄電池によるインバータ給電からバイパス電源による負荷給電に切替えることが可能な無停電電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の無停電電源装置は、交流入力電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、このインバータの入力側に接続された蓄電手段と、前記負荷への電力供給をバイパス電源側またはインバータ側のいずれかに切替える切替え手段とを備えた無停電電源装置において、前記インバータが通常運転中は、前記切替え手段の切替えを可能とする前記インバータと前記バイパス電源の周波数差を第１の所定の範囲とし、前記インバータが前記蓄電手段から供給される電力で運転中は、前記切替え手段の切替えを可能とする前記インバータと前記バイパス電源の周波数差を前記第１の所定の範囲より広い第２の所定の範囲に切替えるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、周波数精度が悪いバイパス電源であっても、蓄電池によるインバータ給電からバイパス電源による負荷給電に切替えることが可能な無停電電源装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る無停電電源装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る無停電電源装置の回路構成図である。

交流入力電源１から交流入力スイッチ２及び交流入力フィルタ３を介してコンバータ４に交流電力が供給されている。コンバータ４は交流を直流に変換し、直流コンデンサ５及び蓄電池６に供給する。直流コンデンサ５及び蓄電池６によって平滑された直流はインバータ７に与えられる。インバータ７においては、直流を再び交流に変換し、出力フィルタ８及び出力コンタクタ９を介して負荷１３に給電する。

また、バイパス電源１０から得られる交流は、バイパスコンタクタ１１及びバイパスサイリスタ１２の並列回路を介して負荷１３に給電する構成となっている。バイパスコンタクタ１１及びバイパスサイリスタ１２の並列回路を開放し、出力コンタクタ９をオンしたとき、負荷１３はインバータ７から給電され、この逆にバイパスコンタクタ１１及びバイパスサイリスタ１２の並列回路をオンし、出力コンタクタ９をオフしたとき、負荷１３はバイパス電源１０から給電される構成となっている。バイパスサイリスタ１２はこの給電の切替えを短時間ラップさせる為のものであり、高速動作が可能なスイッチであれば必ずしもサイリスタを使用する必要はない。尚、以上の出力コンタクタ９、バイパスコンタクタ１１及びバイパスサイリスタ１２は、負荷１３への給電をインバータ７側かバイパス電源１０側かを選択的に切替える切替え手段を形成している。

蓄電池６は、常時はコンバータ４の出力によって充電され、交流入力電力に異常が生じたとき、この蓄電池６の放電によってインバータ７に直流電力を供給する。尚、蓄電池６の充電を専用に設けた充電回路によって行なう場合もある。またこの蓄電池６は必ずしも蓄電池である必要はなく、例えば、フライホイール装置など電力を蓄えることが可能な蓄電手段であっても良い。

以上が本発明に係る無停電電源装置の主回路構成の説明である。以下、制御回路の構成について説明する。

運転制御回路２０は上記の無停電電源装置の主回路全般、特にコンバータ４及びインバータ７の制御を行う。

第１の追従範囲設定器は、通常運転時のインバータ７とバイパス電源１０の周波数の追従範囲を設定し、この信号を追従範囲切替え器３２に与える。追従範囲切替え器３２の出力は比較器３３の一方の入力となる。

周波数基準器３４はインバータ７の通常運転時の周波数基準（通常は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を与えるものであるが、この周波数基準器３４の基準周波数を周波数検出器３５で検出したバイパス電源の周波数から減算器３６で減算する。そして減算器３６の出力を絶対値検出器３７を介して前述の比較器３３の他方の入力に与える。

追従範囲切替え器３２には、第２の追従範囲設定器３８からの追従範囲も与えられ、この第２の追従範囲設定器３８からの追従範囲が前述の第１の追従範囲設定器３１から与えられた追従範囲と選択的に切替えられるように構成されている。そして、運転制御回路２０から蓄電池運転信号が追従範囲切替え器３２に与えられたとき、第１の追従範囲設定器３１の出力から第２の追従範囲設定器３８の出力に切替えられる。

以上の構成によって、比較器３３は、通常運転時には周波数検出器３５で検出されたバイパス電源の周波数が第１の追従範囲設定器３１の追従範囲（例えば±１Hz）以内に入っていれば同期運転信号を運転制御回路２０に出力する。また、インバータ７の蓄電池運転時には周波数検出器３５で検出されたバイパス電源１０の周波数が第２の追従範囲設定器３８の追従範囲（例えば±３Hz）以内に入っていれば同期運転信号を運転制御回路２０に出力する。上記の同期運転信号を切替えの許可条件として、運転制御回路２０はバイパス電源への切替えを行なう。

インバータ７が蓄電池運転を行なっているときの運転制御回路２０の切替え動作手順の一例を図２のフローチャートに示す。

まず、同期運転信号が与えられているかどうか確認し（ＳＴ１）、この同期運転信号が与えられていればインバータ７はバイパス電源１０の周波数に追従するインバータ追従制御を開始する（ＳＴ２）。この同期運転信号が与えられていないときは、インバータ７は周波数基準器３４の基準周波数に従ったインバータ通常運転となる（ＳＴ３）。

ステップＳＴ２でインバータ追従運転を行なうと、手動の切替え指令が運転制御回路２０に与えられたかどうか確認する（ＳＴ４）。ステップＳＴ４で手動の切替え指令が与えられていないときには蓄電池６の電圧が所定値以下であるかどうか確認する（ＳＴ５）。そしてステップＳＴ５において蓄電池６の電圧が所定値を超えていればインバータ異常であるかどうか確認する（ＳＴ６）。そしてインバータに特に異常がないときにはステップＳＴ１に戻り、上記のステップＳＴ１乃至ステップＳＴ６の手順を繰り返す。

ステップＳＴ４において手動の切替え指令が運転制御回路２０に与えられている場合、ステップＳＴ５において蓄電池６の電圧が所定値以下の場合及びステップＳＴ６においてインバータ異常である場合には、切替え可能かどうか切替え条件を確認する（ＳＴ７）。この切替え条件は、ステップＳＴ２によるインバータ追従動作中、例えばインバータ７の出力電圧位相とバイパス電源１０の出力電圧位相の差が所定値以内となったとき成立する。そして上記の切替え条件が成立したとき、切替え指令を出力する（ＳＴ８）。尚、ステップＳＴ６においてインバータ異常であった場合、この異常の状態によってはステップＳＴ７による切替え条件が成立しない恐れがあるので、直接ステップＳＴ８にジャンプするようにしても良い。

以上説明したようにインバータ７が蓄電池運転中に比較的周波数安定度の悪いバイパス電源が立ち上がり、何らかの理由でインバータ給電からバイパス給電に切替える必要が生じたとき、負荷１３に通常時の切替えより若干多くの外乱を与える場合もあるが、上記切替えを行なうことができる。

尚、運転制御回路２０から切替え指令が出力されると、バイパスサイリスタ１２がオンし、出力コンタクタ９は消磁、引き外され、バイパスコンタクタ１１が励磁、投入される。これにより負荷１３への給電が途切れることなく、無瞬断でバイパス給電へ移行することが可能となる。

図３は本発明の実施例２に係る無停電電源装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る無停電電源装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、切替え禁止設定器３９を設け、この切替え禁止設定器３９の禁止指令を追従周波数切替え器３２に与え、たとえ蓄電池運転信号が運転制御回路から与えられた場合であっても第２の追従範囲設定器３８側が選択されないように構成した点である。

バイパス電源１０が交流入力電源１と別の電源であっても、その周波数精度が良く、第１の追従範囲設定器３１で定めるバイパス追従範囲を逸脱しないことが予め分っている場合は、この切替え禁止設定器３９によりバイパス追従範囲の変更を禁止し、常に第１の追従範囲設定器３１で定める追従範囲でインバータ７をバイパス同期させるようにする。このようにすれば、例えば負荷１３が周波数の変化を極度に嫌う負荷の場合、周波数差の大きい状態で蓄電池運転からバイパス給電に切替えることによる外乱を生じさせることが無い。

図４は本発明の実施例３に係る無停電電源装置の回路構成図である。この実施例３の各部について、図１の本発明の実施例１に係る無停電電源装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、第２の追従範囲設定器３８Ａの設定を、絶対値検出器３７の出力を所定時間平均する平均値演算器４０の出力に応じて変更する構成とした点である。

実施例１において、第２の追従範囲設定器３８で設定する追従周波数範囲は、バイパス電源１０の通常時の特性を考慮し、通常運転時の変動範囲に入り且つその変動範囲に若干の余裕分を加算した追従周波数範囲とすることが好ましい。

本実施例３は上記の設定を自動的に行なうものである。即ち、平均値演算器４０における平均値を演算する時間をバイパス電源１０の過渡応答特性に応じて適切に選定すれば、バイパス電源１０の通常運転時の変動範囲が得られる。従って第２の追従範囲設定器３８Ａの設定を適切に行なうことが可能となる。

尚、この実施例３を用いる場合、バイパス電源１０が異常となりその出力周波数が大きく変動することも考えられる。この場合は図示しないが平均値演算器４０の出力側または第２の追従範囲設定器３８Ａの内部に上限リミット回路を設け、第２の追従範囲設定器３８Ａで設定する追従周波数範囲にリミットを設ければ良い。また、第２の追従範囲設定器３８Ａの設定が、第１の追従範囲設定器３１で定めるバイパス追従範囲より狭くなるのは意味が薄いので、平均値演算器４０の出力側または第２の追従範囲設定器３８Ａの内部に下限リミット回路を設けるようにするのが好ましい。

本発明の実施例１に係る無停電電源装置の回路構成図。 蓄電池運転中における切替え動作を示すフローチャート。 本発明の実施例２に係る無停電電源装置の回路構成図。 本発明の実施例３に係る無停電電源装置の回路構成図。

符号の説明

１ 交流入力電源
２ 交流入力スイッチ
３ 交流入力フィルタ
４ コンバータ
５ 直流コンデンサ
６ 蓄電池
７ インバータ
８ 出力フィルタ
９ 出力コンタクタ
１０ バイパス電源
１１ バイパスコンタクタ
１２ バイパスサイリスタ
１３ 負荷

２０ 運転制御回路

３１ 第１の追従範囲設定器
３２ 追従範囲切替え器
３３ 比較器
３４ 周波数基準器
３５ 周波数検出器
３６ 減算器
３７ 絶対値検出器
３８ 第２の追従範囲設定器
３９ 切替え禁止設定器
４０ 平均値演算回路

Claims (4)

1. 交流入力電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   このコンバータにより変換された直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給するインバータと、
   このインバータの入力側に接続された蓄電手段と、
   前記負荷への電力供給をバイパス電源側またはインバータ側のいずれかに切替える切替え手段と
   を備えた無停電電源装置であって、
   前記インバータが通常運転中は、前記切替え手段の切替えを可能とする前記インバータと前記バイパス電源の周波数差を第１の所定の範囲とし、
   前記インバータが前記蓄電手段から供給される電力で運転中は、前記切替え手段の切替えを可能とする前記インバータと前記バイパス電源の周波数差を前記第１の所定の範囲より広い第２の所定の範囲に切替えるようにしたことを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記インバータが前記蓄電手段から供給される電力で運転中であっても、
   前記切替え手段の切替えを可能とする前記インバータと前記バイパス電源の周波数差を前記第２の所定の範囲に切替えないようにする切替え禁止設定器を設けたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 通常運転時における前記インバータと前記バイパス電源の周波数差に応じて前記第２の所定の範囲を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
4. 前記インバータが前記蓄電手段から供給される電力で運転中に前記インバータと前記バイパス電源の周波数差が前記第２の所定の範囲内であり、且つ前記蓄電手段の電圧が所定値以下となったとき、
   前記切替え手段によって前記負荷への電力供給をインバータ側からバイパス電源側に切替えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の無停電電源装置。

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