JP2011061949A - 瞬時電圧低下保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体スイッチ１３での電力損失を低減することで、無駄な電力消費を抑えるとともに放熱フィン等を小型化して装置コストを抑える。
【解決手段】交流電源２から交流電力が供給される電力供給線路１２に設けた半導体スイッチ１３と出力端１１との間に、一次巻線１５１と二次巻線１５２との巻線数比は定格入力電圧と定格出力電圧との比に等しく、一次巻線１５１の中間タップ１５３の巻線数が二次巻線１５２の巻線数と同一であるような出力変換トランス１５を介挿する。これにより、入力電圧Ｖinを出力電圧Ｖoutよりも高く（例えばＶin＝200V,Ｖout=100V）することができる。入力電圧Ｖinを高くすると、入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoutとが同一である場合に比べて負荷電流が減少するので、半導体スイッチ１３における電力損失が減る。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源から負荷に供給される交流電力の電圧が一時的に低下した場合、或いは一時的に停電が発生した場合に、代わりに負荷に交流電力を供給する瞬時電圧低下保護装置に関する。

従来より、商用交流電源から負荷に供給される交流電力の電圧が短時間低下した場合或いは短時間遮断された場合に、これに代えて交流電力を負荷に供給するための瞬時電圧低下保護装置が広く利用されている。図３は従来の瞬時電圧低下保護装置の概略ブロック構成図である（例えば特許文献１、２など参照）。

瞬時電圧低下保護装置１００の入力端１０には交流電力の供給元である、例えば電圧が１００Ｖ又は２００Ｖの交流電源２が接続され、出力端１１には交流電力の供給先である負荷３が接続される。入力端１０と出力端１１との間の電力供給線路１２にはＩＧＢＴ等の半導体スイッチ１３が設けられ、この半導体スイッチ１３がオフされると入力端１０と出力端１１とは切り離される。半導体スイッチ１３と出力端１１との間の電力供給線路１２に電圧補償部１４が接続される。

電圧補償部１４は、瞬時電圧低下時や瞬時断電時に供給すべき電気エネルギーを保持する電解コンデンサ１４４と、交流電力を直流に変換して電解コンデンサ１４４を充電する、又は、逆に電解コンデンサ１４４に保持されている電気エネルギーを直流／交流変換するインバータ部１４５と、交流電力に重畳している高周波成分を除去するフィルタ１４６と、電解コンデンサ１４４を充電するためのトランス１４１、整流部１４２、スイッチ１４３などからなる補充電部を、備える。

この瞬時電圧低下保護装置１００の基本的な動作は次の通りである。交流電源２から正常に交流電力が供給されているとき半導体スイッチ１３はオン状態にあり、交流電源２からの交流電力が電力供給線路１２を経て負荷３に供給される。このとき、電解コンデンサ１４４はその定格電圧にほぼ充電された状態に保たれる。即ち、電解コンデンサ１４４の充電電圧が自然放電により定格電圧よりも或る程度減少すると、スイッチ１４３がオンされることで補充電部が動作して電解コンデンサ１４４が充電される。また、後述するように瞬時停電により電解コンデンサ１４４の電圧が大きく下がったあとに交流電圧が復帰した場合には、電力供給線路１２を通して供給される交流電圧を交流／直流変換するようにインバータ部１４５が駆動され、それにより電解コンデンサ１４４は急速に充電される。

瞬時停電等により交流電源２から供給される交流電圧が一時的に低下すると、半導体スイッチ１３がオフされるとともに、電解コンデンサ１４４に蓄積されている電気エネルギーを直流／交流変換するようにインバータ部１４５の動作が切り替えられる。これにより、交流電源２は負荷３から切り離され、インバータ部１４５から供給される交流電力が出力端１１を通して負荷３に供給される。そして、交流電源２から供給される交流電圧が復帰すると、半導体スイッチ１３がオンされ、インバータ部１４５の動作は上述したように電解コンデンサ１４４を充電するように切り替えられる。

上記従来の瞬時電圧低下保護装置１００では、入力端１０に入力される電圧（つまり定格入力交流電圧）と出力端１１から出力する電圧（定格出力交流電圧）とは同一である必要があり、例えば定格出力交流電圧１００Ｖの仕様の装置の場合には定格入力交流電圧も１００Ｖである。こうした瞬時電圧低下保護装置が多用される工場等において、負荷となる装置の定格入力交流電圧は１００Ｖ、２００Ｖ、４００Ｖなど様々である。そこで、そうした各種の負荷に対応するため、入出力交流電圧が１００Ｖ、２００Ｖ、４００Ｖなどの異なる仕様の瞬時電圧低下保護装置が利用される。

上記瞬時電圧低下保護装置では、電力供給線路１２に設けられている半導体スイッチ１３はオン抵抗を有しているため、半導体スイッチ１３がオンした状態で負荷電流が流れると半導体スイッチ１３で電圧降下が生じ、電力損失が発生する。出力電力容量が同一である場合、電力供給線路１２上における電圧が低いほど該線路１２に流れる負荷電流は多くなるため、半導体スイッチ１３での電力損失が大きくなってしまう。前述のように上記瞬時電圧低下保護装置１００では入出力交流電圧が同一であるから、入出力交流電圧が１００Ｖである場合には入出力交流電圧が２００Ｖである場合に比べて、半導体スイッチ１３での電力損失は約２倍となる。電力損失が多いと電力消費量の増大に繋がるのみならず、半導体スイッチ１３での放熱性を高めるために大型の放熱フィンを用意する等、装置コストが高いものとなる。

特開２００８−５４４６８号公報 特開２００９−１１２１２８号公報

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、電力供給線路上に設けた半導体スイッチでの電力損失を抑制し、装置コストを抑えるとともに電力消費量も抑えることができる瞬時電圧低下保護装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、交流電源からの交流電力が供給される入力端と負荷に電力を供給する出力端との間の電力供給線路に設けられ該線路を開閉するスイッチと、電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段、及び、交流電源から供給される交流電力を交流／直流変換して前記蓄電手段を充電する一方、瞬時電圧低下発生時に前記蓄電手段に蓄積されている電気エネルギーを直流／交流変換する電力変換手段を含む電圧補償手段と、前記交流電源からの交流電圧が低下したときに前記スイッチを開成するとともに、前記蓄電手段に蓄えられている電気エネルギーを利用して交流電力を供給するように前記電力変換手段を動作させる制御手段と、を具備する瞬時電圧低下保護装置において、
前記スイッチの側に一次巻線が、前記出力端の側に二次巻線がそれぞれ接続されるように、前記スイッチと前記出力端との間の前記電力供給線路に出力変換トランスを介挿し、該出力変換トランスの一次巻線の途中に設けられた中間タップに前記電圧補償手段を接続したことを特徴としている。

本発明に係る瞬時電圧低下保護装置の一態様として、前記入力端に印加される交流電圧がＶin、前記出力端から出力される交流電圧がＶout（ただしＶout＜Ｖin）であるとき、前記出力変換トランスの一次巻線と二次巻線の巻線数比をｎ1：ｎ2＝Ｖin：Ｖoutとし、一次巻線の中間タップにおける巻線数を二次巻線の巻線数と同一にし、且つ、瞬時電圧低下発生時における前記電圧補償手段の出力交流電圧をＶoutとした構成とするとよい。一例を挙げると、Ｖin＝２００[Ｖ]、Ｖout＝１００[Ｖ]であれば、一次巻線と二次巻線の巻線数比ｎ1：ｎ2＝２：１であり、電圧補償手段の出力交流電圧は１００[Ｖ]である。

本発明に係る瞬時電圧低下保護装置において、入力端に正常な交流電圧が印加されているときにはスイッチは閉成され、出力変換トランスの一次巻線と二次巻線の巻線数比に応じて降圧された交流電圧が出力端から出力される。即ち、上記態様の構成によれば、出力端から出力される交流電圧はＶoutであるが、入力端と出力変換トランスとの間の電力供給線路上の交流電圧はＶoutよりも高いＶinである。したがって、スイッチに流れる負荷電流は上記出力変換トランスがなく入力端に印加される交流電圧がＶoutと等しい場合に比べてＶout／Ｖin倍になる。つまり、Ｖin＝２００[Ｖ]、Ｖout＝１００[Ｖ]であれば、負荷電流は１／２になる。このように負荷電流が減ることにより、スイッチにおける電力損失は減少する。

出力変換トランスの一次巻線に交流電圧Ｖinが印加された状態のとき、中間タップには巻線数に応じた分圧が現れ、この分圧が電圧補償手段に供給されて蓄電手段に電気エネルギーが蓄積される。即ち、電圧補償手段は入力端に印加される交流電圧よりも低い電圧で動作する。瞬時停電等により入力端に印加される交流電圧が低下したとき、制御手段によりスイッチが開成され、蓄電手段に蓄えられている電気エネルギーを利用して交流電力を供給するように電力変換手段が動作されると、電圧補償手段により生成された交流電圧が出力変換トランスの一次巻線の中間タップに印加される。この中間タップと二次巻線との巻線数比に応じた電圧が二次巻線側に発生するから、例えば上述のようにこの巻線数が等しければ、電圧補償手段により生成された交流電圧が出力端から出力される。

上記のような巻線数の関係にあれば、電圧補償手段は出力端から出力される交流電圧で動作する構成であればよく、入力端に印加される交流電圧が大きくても、電圧補償手段を構成する回路素子の耐圧は低くて済む。そのため、電圧補償手段がコストアップ要因になることを避けることができる。

また、より高い入力交流電圧を必要とする負荷を駆動したい場合の構成として、上記の本発明に係る瞬時電圧低下保護装置を複数用い、その複数の瞬時電圧低下保護装置の入力端を共通に交流電源に接続し、各瞬時電圧低下保護装置の出力変換トランスの二次巻線を直列に接続してその両端を出力端とした構成としてもよい。この構成によれば、同じ構成の瞬時電圧低下保護装置を複数用いることで、１台の瞬時電圧低下保護装置の出力交流電圧の整数倍の交流電圧を容易に得ることができる。

本発明に係る瞬時電圧低下保護装置によれば、出力端から出力される出力交流電圧とは無関係に入力端に印加する入力交流電圧を高くすることができるので、電力供給線路に設けられたＩＧＢＴ等のスイッチでの電力損失を従来装置よりも抑えることができ、特にその入力交流電圧を高くするほど電力損失の低減効果を高めることができる。それにより、入力端に供給されるエネルギーが無駄に消費されにくくなり、電力消費量を削減することができる。また、スイッチでの発熱量が減少するので、放熱フィン等の放熱部を小型化することができ、装置コストを削減することができる。さらにまた、入力端に印加する入力交流電圧を高くしても、電圧補償手段の回路構成をその電圧上昇に対応させる必要がないので、電圧補償手段のコスト増加はなく、その点でも装置コストを抑えることができる。

本発明に係る瞬時電圧低下保護装置の一実施例の概略ブロック構成図。 本発明に係る瞬時電圧低下保護装置の他の実施例の概略ブロック構成図。 従来の瞬時電圧低下保護装置の一実施例の概略ブロック構成図。

［第１実施例］
本発明に係る瞬時電圧低下保護装置の一実施例（第１実施例）について説明する。図１は本実施例による瞬時電圧低下保護装置１の概略ブロック構成図である。この瞬時電圧低下保護装置１は、出力交流電圧が単相１００Ｖ、入力交流電圧が単相２００Ｖの仕様である。
図１に示す瞬時電圧低下保護装置１において、図３に示した従来の瞬時電圧低下保護装置１００と同じ構成要素には図３と同じ符号を付して詳しい説明を略す。

この瞬時電圧低下保護装置１では、電力供給線路１２上に設けられた半導体スイッチ１３と出力端１１との間に出力変換トランス１５が介挿され、この出力変換トランス１５を介して電力供給線路１２と電圧補償部１４も接続されている。出力変換トランス１５は、一次巻線１５１と二次巻線１５２との巻線数比が２：１であり、一次巻線１５１はそのちょうど中間の位置、つまり二次巻線１５２に対する巻線数比が１：１である位置に中間タップ１５３が設けられている。電力供給線路１２は出力変換トランス１５の一次巻線１５１の両端に接続され、電圧補償部１４は出力変換トランス１５の中間タップ１５３と負極性側の電力供給線路１２との間に接続されている。

入力端１０に供給される交流電力の電圧は電圧低下検出部１６により検出され、ＣＰＵを中心に構成される制御部１７は予め設定された制御プログラムに従って、半導体スイッチ１３のオン・オフ動作、インバータ部１４５の動作、スイッチ１４３のオン・オフ動作などを制御する。

次に、この瞬時電圧低下保護装置１の動作を説明する。
交流電源２から交流電圧２００Ｖの交流電力が入力端１０に正常に印加されているとき、制御部１７は半導体スイッチ１３をオン状態に保つ。これにより、入力端１０に印加された２００Ｖの交流電圧が出力変換トランス１５の一次巻線１５１に印加され、上記の巻線数比に応じて、１００Ｖの交流電圧が二次巻線１５２に発生する。この１００Ｖ交流電圧が出力端１１から出力され、負荷３に印加される。

２００Ｖの交流電圧が出力変換トランス１５の一次巻線１５１に印加された状態では、中間タップ１５３には１００Ｖの交流電圧が現れ、これが電圧補償部１４に印加される。電圧補償部１４は従来例と同様に動作し、瞬時停電等により電解コンデンサ１４４の充電電圧が定格電圧よりも大きく下がったときには、制御部１７は、出力変換トランス１５の中間タップ１５３を介して供給される交流電力が交流／直流変換されるようにインバータ部１４５の各スイッチング素子の動作を制御し、それにより電解コンデンサ１４４の充電電圧は急速に回復する。また、電解コンデンサ１４４の充電電圧が自然放電により定格電圧より若干下がったときには、スイッチ１４３をオンさせて補充電部を動作させることで電解コンデンサ１４４を充電する。これにより、交流電源２から正常に電力が供給されているときには、電解コンデンサ１４４の充電電圧はほぼ定格電圧近傍に維持される。

例えば短時間の停電等により入力端１０に印加される交流電圧が下がると、制御部１７は電圧低下検出部１６からの検出信号により電圧低下を認識する。すると、制御部１７は半導体スイッチ１３をオフして、出力変換トランス１５と入力端１０とを切り離すとともに、電解コンデンサ１４４に蓄積されている電気エネルギーを直流／交流変換するようにインバータ部１４５のスイッチング素子の動作を切り替える。これにより、電解コンデンサ１４４に蓄積されていた電気エネルギーに基づく１００Ｖの交流電圧が、フィルタ１４６を介して出力変換トランス１５の中間タップ１５３に印加される。

このとき、半導体スイッチ１３はオフ状態にあるから、出力変換トランス１５の一次巻線１５１は中間タップ１５３と負極性側電力供給線路１２との間の巻線のみが存在するものとみなせる。したがって、出力変換トランス１５は一次巻線と二次巻線の巻線数比が等しいものであるとみなせ、二次巻線１５２には一次巻線１５１に印加されたのと同じ１００Ｖの交流電圧が生起される。これにより、交流電源２からの交流電圧が低下したときにも、１００Ｖの交流電圧が出力端１１から負荷３に印加され続ける。

交流電源２からの交流電圧が回復したとき、制御部１７は電圧低下検出部１６からの検出信号によりこれを認識し、半導体スイッチ１３をオンさせるとともに、インバータ部１４５を交流／直流変換動作に切り替え、電解コンデンサ１４４を充電して充電電圧の回復を図る。以上のように、本実施例の瞬時電圧低下保護装置１では、入力端１０に２００Ｖの交流電圧が印加されながら、出力端１１から負荷３に１００Ｖの交流電圧を出力し、且つ、インバータ部１４５を含む電圧補償部１４は従来と同様に１００Ｖの交流電圧に基づく動作を行う。

上述した第１実施例の瞬時電圧低下保護装置１と図３で説明した従来の瞬時電圧低下保護装置１００とについて、半導体スイッチ１３における電力損失を比較する。
いま、図１に示した瞬時電圧低下保護装置１において、交流電源２が単相２００Ｖ、出力端１１から出力される交流電圧が１００Ｖであり、出力容量が２００ｋＶＡであるとする。この場合、半導体スイッチ１３がオン状態であるときに電力供給線路１２に流れる電流は１０００Ａとなり、半導体スイッチ１３での電圧降下が２Ｖであるとすると、半導体スイッチ１３での電力損失は、２[Ｖ]×１０００[Ａ]＝２[ｋＷ]、となる。これに対し、従来の瞬時電圧低下保護装置１００では、出力端１１から交流電圧１００Ｖを出力するためには単相１００Ｖの交流電源２を用いるから、電力供給線路１２の電圧も１００Ｖになる。このとき、出力容量が２００ｋＶＡであれば電力供給線路１２に流れる電流は２０００Ａとなり、半導体スイッチ１３での電圧降下が２Ｖであるとすると、半導体スイッチ１３での電力損失は、２[Ｖ]×２０００[Ａ]＝４[ｋＷ]、となる。

このように、この第１実施例の瞬時電圧低下保護装置では、出力端１１から従来と同じ交流電力を供給する場合でも、入力端１０に入力する交流電力の電圧を２倍に上げることにより、半導体スイッチ１３での電力損失を１／２に抑えることができる。さらにまた、入力端１０に入力する交流電力の電圧を４倍に上げれば、半導体スイッチ１３での電力損失を１／４に抑えることができる。

なお、出力端１１から出力する交流電圧が同一で、入力端１０に入力する交流電圧が異なる場合には、その電圧に応じて、出力変換トランス１５の一次巻線１５１と二次巻線１５２の巻線数比、及び、中間タップ１５３と一次巻線１５１全体の巻線数比を適宜に調整すればよく、電圧補償部１４の回路構成などは変更する必要がない。したがって、殆どの回路構成を共通化して、異なる定格入力交流電圧に対応させることができる。

［第２実施例］
図２は、上記第１実施例の構成の瞬時電圧低下保護装置を複数（この例は３台）用いて定格出力交流電圧を増加させた瞬時電圧低下保護装置の実施例（第２実施例）を示すブロック構成図である。図２中の１Ａ、１Ｂ、１Ｃはそれぞれ図１に示した瞬時電圧低下保護装置１のうちの出力変換トランス１５を除いた部分であり、１５ａ、１５ｂ、１５ｃがその出力変換トランス１５に相当する部分である。複数の瞬時電圧低下保護装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃの入力端１０は共通化され、交流電源２から各瞬時電圧低下保護装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃに並列に交流電圧が印加される。一方、瞬時電圧低下保護装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃのそれぞれの出力変換トランス１５ａ、１５ｂ、１５ｃの二次巻線は直列に接続され、その両端が出力端１１に接続されている。

瞬時電圧低下保護装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃはそれぞれ、上述した第１実施例の瞬時電圧低下保護装置１と同様の構成を有し同様に動作するから、交流電源２から正常に交流電力が供給されているときと瞬時停電等により入力交流電圧が一時的に低下したときのいずれにおいても、各出力変換トランス１５ａ、１５ｂ、１５ｃの二次巻線に１００Ｖの交流電圧が現れる。したがって、それら３系統の交流電圧を加算した３００Ｖの交流電圧を出力端１１から負荷３に印加することができる。

なお、上記第１実施例では瞬時電圧低下保護装置１の定格入力交流電圧が２００Ｖ、定格出力交流電圧が１００Ｖの場合について説明したが、それら電圧は定格入力交流電圧が定格出力交流電圧よりも大きいという条件の下で任意に選択することができる。例えば、定格入力交流電圧が４００Ｖで定格出力交流電圧が１００Ｖ、又は、定格入力交流電圧が４００Ｖで定格出力交流電圧が２００Ｖ、などとすることができることは明らかである。また、それ以外の点についても、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…瞬時電圧低下保護装置
１０…入力端
１１…出力端
１２…電力供給線路
１３…半導体スイッチ
１４…電圧補償部
１４１…トランス
１４２…整流部
１４３…スイッチ
１４４…電解コンデンサ
１４５…インバータ部
１４６…フィルタ
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…出力変換トランス
１５１…一次巻線
１５２…二次巻線
１５３…中間タップ
１６…電圧低下検出部
１７…制御部

Claims (3)

1. 交流電源からの交流電力が供給される入力端と負荷に電力を供給する出力端との間の電力供給線路に設けられ該線路を開閉するスイッチと、電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段、及び、交流電源から供給される交流電力を交流／直流変換して前記蓄電手段を充電する一方、瞬時電圧低下発生時に前記蓄電手段に蓄積されている電気エネルギーを直流／交流変換する電力変換手段を含む電圧補償手段と、前記交流電源からの交流電圧が低下したときに前記スイッチを開成するとともに、前記蓄電手段に蓄えられている電気エネルギーを利用して交流電力を供給するように前記電力変換手段を動作させる制御手段と、を具備する瞬時電圧低下保護装置において、
   前記スイッチの側に一次巻線が、前記出力端の側に二次巻線がそれぞれ接続されるように、前記スイッチと前記出力端との間の前記電力供給線路に出力変換トランスを介挿し、該出力変換トランスの一次巻線の途中に設けられた中間タップに前記電圧補償手段を接続したことを特徴とする瞬時電圧低下保護装置。
2. 請求項１に記載の瞬時電圧低下保護装置であって、
   前記入力端に印加される交流電圧がＶin、前記出力端から出力される交流電圧がＶoutであるとき、前記出力変換トランスの一次巻線と二次巻線の巻線数比をｎ1：ｎ2＝Ｖin：Ｖoutとし、一次巻線の中間タップにおける巻線数を二次巻線の巻線数と同一にし、且つ、瞬時電圧低下発生時における前記電圧補償手段の出力交流電圧をＶoutとしたことを特徴とする瞬時電圧低下保護装置。
3. 請求項１又は２に記載の瞬時電圧低下保護装置を複数用い、その複数の瞬時電圧低下保護装置の入力端を共通に交流電源に接続し、各瞬時電圧低下保護装置の出力変換トランスの二次巻線を直列に接続してその両端を出力端としたことを特徴とする瞬時電圧低下保護装置。

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