JP5008465B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部の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などの無停電電源装置に関する。

従来より、１００Ｖ又は２００Ｖの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や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瞬時電圧低下保護装置が広く利用されている。例えば特許文献１に記載の装置では、昇圧トランスとダイオード整流器から成る初期充電回路と、交流／直流の相互変換を行うインバータ部とを備え、商用交流電源からの交流電力が正常に供給されている状態で、まず初期充電回路により電解コンデンサの充電電圧が或る程度に上昇するまで充電を行い、それ以降はインバータ部を動作させることで交流電力を直流に変換して電解コンデンサを定格電圧まで充電する。そして、商用交流電源からの交流電力の電圧が瞬時低下を起こすと、サイリスタにより交流電源を負荷から切り離し、電解コンデンサに蓄えていた電気エネルギーをインバータ部で交流電力に変換して負荷に供給するようにしている。

こうした瞬時電圧低下保護装置は工場等の大規模施設で多く使用されているが、こうした施設内では、電源電力の供給元と各瞬時電圧低下保護装置とを接続する電力配線が非常に長かったり或いは多数の負荷が接続されていたりすることがあるため、各瞬時電圧低下保護装置において供給を受ける交流電力の電圧自体にかなりのばらつきがみられることがよくある。具体的には、電源電力供給元から離れている場所では電圧降下が問題となるため、電源電力供給元で予め電圧を通常よりも上げておくことで遠隔位置でも負荷に十分な電圧を確保できるようにすることがあるが、その場合、電源電力供給元に近い位置に設置された瞬時電圧低下保護装置では電圧がかなり高くなる。

そのため、例えば瞬時電圧低下保護装置の入力での交流電圧が例えば標準の２００Ｖよりも１０％高い２２０Ｖである場合、正常な状態では負荷に２２０Ｖの交流電圧が印加され、瞬時電圧低下により補償交流電力に切り替わるときに電圧は２２０Ｖから約２００Ｖに下がり、瞬時電圧低下が解消して補償交流電力から交流電力に切り替わるときに電圧は約２００Ｖから２２０Ｖに急に上がることになる。特に電圧が上昇する際に、その電圧差によって負荷に過大な突入電流が流れる場合があり、これが負荷の故障や誤動作等を引き起こすおそれがあった。

特開２０００−１５２５１９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、供給される交流電力の電圧のばらつきが大きい場合でも、電力切り替わり時の突入電流の発生を防止することができる、瞬時電圧低下保護装置を含む無停電電源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、外部の交流電源から交流電力が供給される際に該電力に基づく電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段と、前記交流電源から負荷に供給される交流電力の電圧が低下したことを検出する検出手段と、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た補償交流電力を生成するべく該蓄電手段に蓄えられた直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を含む電力変換手段と、前記交流電源による交流電力と前記電力変換手段による補償交流電力とを択一的に負荷に供給する手段であって、前記検出手段による検出結果に応じて前記交流電源による交流電力に代えて前記補償交流電力を負荷に供給する切替手段と、を具備する無停電電源装置において、
a)前記交流電源から交流電力が正常に供給されているときに前記切替手段を介して負荷に供給される該交流電力の電圧値を出力電圧検出部により監視して後記制御手段のメモリに記憶する電圧監視手段と、
b)前記切替手段を切り替えることにより前記交流電源からの交流電力に代えて前記電力変換手段からの補償交流電力を負荷に出力する際に、前記電圧監視手段によりメモリに記憶されている電圧値に応じて補償交流電力の電圧値を調整するように前記電力変換手段を制御する制御手段と、
を備え、
該制御手段は、前記交流電源からの交流電力の供給が正常であるときに記憶しておいた所定時間前の出力電圧値を前記メモリから読み出し、その読み出された正常時の出力電圧値と、前記出力電圧検出部により計測される負荷に供給される補償交流電圧の電圧値との差を求め、その差がゼロになるように前記インバータ回路を駆動することを特徴としている。

本発明に係る無停電電源装置では、電圧監視手段は、例えば所定時間間隔毎に交流電源から負荷に供給される交流電力の電圧値を監視して記憶する。交流電源からの交流電力が一時的に遮断されたり或いは電圧低下が生じたりした場合に、電力変換手段は蓄電手段に蓄えていた直流的な電気エネルギーを交流電力に変換して補償交流電力として負荷に供給するが、制御手段は、その補償交流電力の電圧値が電圧監視手段により記憶されている電圧値に一致するように電力変換手段の動作を制御する。

このとき参考とする電圧値は、時間的にあまり古いものであると交流電源の電圧変動に対応できず、逆に時間的にあまりに近いものであると瞬低等の影響を受けたものである可能性がある。そこで、補償交流電力への切り替え時点から数秒程度遡った時点で電圧監視手段により得られた電圧値を用いるとよい。

本発明に係る無停電電源装置によれば、瞬低等により負荷に供給される電力が外部の交流電源からの交流電力から内部の補償交流電力に切り替わったときに、その電圧の差が殆ど生じない。また、特に瞬時電圧低下保護装置では補償（保護）できる時間がもともと比較的短いので、瞬低期間の前と後とでの交流電源電力の電圧差は無視できる程度であるから、瞬低から復帰した後に負荷に供給される電力が補償交流電力から外部交流電源由来の交流電力に切り替わった際の電圧差も殆ど生じない。これにより、そうした供給電力の切り替わり時点で一時的に過大な電流が負荷に流れることを防止することができ、負荷として接続されている機器の故障を回避することができる。

本発明の一実施例である瞬時電圧低下保護装置について図１〜図３により説明する。図１は本実施例による瞬時電圧低下保護装置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は、１００Ｖ又は２００Ｖの商用交流電源１から負荷２０に供給される交流電力の電圧が一時的（例えば最大で１秒程度）に低下したときに、これを保護するものである。図１において、外部の商用交流電源１から供給される交流電力は、ＦＥＴスイッチ（通常はパワーＭＯＳＦＥＴ）２１と過電流保護用の双方向サイリスタ２２とが並列に接続されて成る切替部２を経て負荷２０に供給され、さらに、この交流電力は複数のスイッチング素子を含むインバータ部４に入力される。ＦＥＴスイッチ２１と双方向サイリスタ２２とはそれぞれ独立に、切替駆動部１５より与えられる駆動信号によりオン／オフが制御される。

本発明における電力変換手段に相当するインバータ部４には電解コンデンサ５１から成る蓄電部５が接続され、インバータ部４は交流電力を直流に変換して電解コンデンサ５１を充電する、或いは、逆に電解コンデンサ５１に保持されている電気エネルギーを直流／交流変換する機能を有する。後者の際に、インダクタンスとコンデンサとから成るフィルタ７により、交流電力に重畳している高周波成分は除去される。

また、同じく蓄電部５の電解コンデンサ５１を充電するために、トランス６１、トランス６１の１次側巻線に直列接続された双方向サイリスタ６２、トランス６１の２次側巻線に接続された整流用ダイオード６３、コンデンサ６４、抵抗器６５などを含む補充電部６を備える。電解コンデンサ５１はインバータ部４と補充電部６とのいずれからでも充電が可能となっている。補充電部６の双方向サイリスタ６２は補充電駆動部１２により与えられる駆動信号によりオン／オフが制御される。また、インバータ部４の各スイッチング素子はインバータ駆動部１４により与えられる駆動信号によりオン／オフが制御される。

入力電圧検出部１１は商用交流電源１から供給される交流電力の電圧の振幅（ピーク値又は実効値）を監視し、その振幅値を制御部１０に与える。充電電圧検出部１３は電解コンデンサ５１に保持された充電電圧を検出し、その電圧値を制御部１０に入力する。本発明における電圧監視手段に相当する出力電圧検出部１７は本装置から負荷２０に印加される交流の出力電圧を検出し、その電圧の振幅（ピーク値又は実効値）を制御部１０に入力する。また、本装置から負荷２０に供給される負荷電流は電流トランス３及び負荷電流検出部１６で検出され、その電流値が制御部１０に入力される。制御部１０はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを中心に構成され、予め格納された制御プログラムに従って後述する各種制御や処理を実行する。

次に、本実施例の瞬時電圧低下保護装置における電力の補償動作について図２、図３により説明する。図２は制御部１０を中心とする制御・処理動作のフローチャート、図３は本実施例の瞬時電圧低下保護装置からの出力電圧波形（ａ）及び出力電流波形（ｂ）の一例を示す図である。図３中、点線で示す波形は従来装置の場合、実線で示す波形が本実施例の装置の場合である。また、図２のフローチャートの制御・処理は本装置の動作中、繰り返し実行される。

制御部１０は所定時間間隔で入力電圧検出部１１により入力交流電力の電圧値を計測する（ステップＳ１）。ここで電圧値はピーク値でも実効値でもよい。次に、計測により得られた電圧値が予め定めた正常値の範囲であるか否かを判定し（ステップＳ２）、正常である場合には負荷２０に対して直送給電を行う（ステップＳ３）。具体的には、切替駆動部１５を介して切替部２のＦＥＴスイッチ２１を導通状態とし、商用交流電源１から供給される交流電力をそのまま出力して負荷２０に与える。また制御部１０は、負荷２０に供給される交流電力の電圧値をｎ秒毎に出力電圧検出部１７により計測し、この値を内部のメモリに記憶する（ステップＳ４）。ここでｎは例えば１、つまり１秒間隔で出力電圧値の計測・記憶を行うようにすることができる。

また、このときに商用交流電力を元に電解コンデンサ５１に充電が行われ、電解コンデンサ５１に電気エネルギーが蓄えられる。ここで電解コンデンサ５１の充電手順を説明する。即ち、充電電圧検出部１３により検出される電圧値が第１の所定値Ｖ１以下である場合には、制御部１０はインバータ駆動部１４を介してインバータ部４を動作させ、インバータ部４で交流／直流変換して得た直流の電気エネルギーを電解コンデンサ５１に蓄積する。このとき、双方向サイリスタ６２はオフ状態とし補充電部６は動作させない。充電電圧検出部１３により検出される電圧値が定格電圧Ｖｆ（Ｖｆ＞Ｖ１）に達したならば、インバータ部４の動作を停止させ充電動作を停止する。

インバータ部４のスイッチング素子がオフ状態であっても、定格電圧Ｖｆまで充電された電解コンデンサ５１の電気エネルギーは自然放電により徐々に減じる。そこで、自然放電により充電電圧が下がってきてその電圧値が第２の所定値Ｖ２（通常Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖｆ）にまで下がると、充電電圧検出部１３により検出される電圧値に基づいてこれを認識した制御部１０は、補充電駆動部１２を介して双方向サイリスタ６２を導通させる。すると、トランス６１の１次側巻線に商用交流電源１による電流が流れ、２次側巻線の両端に所定の交流電圧が発生する。この電圧は整流用ダイオード６３で直流化され、抵抗器６５を介して電解コンデンサ５１を充電し始める。このときにはインバータ部４は動作させず、補充電部６のみにより電解コンデンサ５１の充電電圧は回復し始める。そして、充電電圧検出部１３により検出される電圧値が定格電圧Ｖｆに達したならば、補充電部６の動作を停止させ充電動作を停止する。

図２に戻り説明を続ける。電力供給事業者の電力供給の異常等により電圧が一時的に低下したり電力供給が一時的に遮断したりすると、上記ステップＳ２で入力電圧が正常の範囲を逸脱している、つまりは異常な電圧低下が生じていると判定され、制御部１０は直送給電に代えてインバータ給電を選択する（ステップＳ６）。

即ち、切替駆動部１５を介して切替部２のＦＥＴスイッチ２１をオフさせて負荷２０を商用交流電源１から切り離す。これと共に、インバータ駆動部１４によりインバータ部４を動作させて、その直前まで電解コンデンサ５１に保持されていた電圧を直流／交流変換し、フィルタ７を介して波形整形して負荷２０に補償交流電力として供給し始める（ステップＳ７）。制御部１０は、内部のメモリから正常時に記憶しておいたｍ秒前の出力電圧値を読み出す（ステップＳ８）。ここで、ｍは例えば５、つまり５秒前に記憶した電圧値を利用するようにすることができる。そして、その時点で負荷２０に供給される補償交流電力の電圧値を出力電圧検出部１７により計測し、この計測した電圧値と上記読み出した過去の電圧値との差を求め、その差がゼロになるようにインバータ駆動部１４を制御する（ステップＳ９）。

例えば商用交流電源１から供給される交流電力の電圧が標準の２００Ｖよりも高い２２０Ｖであったとすると、図３に示すように、従来であれば、直送給電からインバータ給電に移行したときに電圧値は２２０Ｖ→約２００Ｖに下がる。これに対し、本実施例の瞬時電圧低下保護装置では上記のような制御・処理を行うことにより、直送給電からインバータ給電に移行したときも電圧値はほぼ２２０Ｖに維持される。つまり移行の前後で電圧差は殆どない。

商用交流電源１の交流電力の電圧低下が解消されると、ステップＳ２で「Ｙ」と判定されるから、制御部１０はインバータ給電から直送給電への復帰を行う。即ち、制御部１０はインバータ部４の動作を停止して補償交流電力の供給を止め、その後速やかに切替部２により商用交流電源１と負荷２０とを接続して、商用交流電源１による交流電力を負荷２０に供給し始める。これにより、商用交流電源１の電圧が一時的に低下しても、殆ど途切れなく交流電力を負荷２０に供給し続けることができる。

通常、この瞬時電圧低下保護装置で補償可能な時間は１秒程度（或いは長くても十秒程度）である。従って、上記のような瞬低が起こる直前と瞬低からの復帰直後とでの商用交流電源１の交流電圧の電圧値はほぼ同じである。そのため、インバータ給電から直送給電に切り替わったときの電圧値はほぼ２２０Ｖに維持される。つまり、この移行の前後でも電圧差は殆どない。このように、直送給電→インバータ給電→直送給電、という負荷２０への給電の切替えに際しても、その交流電力の電圧はほぼ一定に維持される。

図３中に点線で示すように、従来の装置であれば、電圧が例えば２２０Ｖ→約２００Ｖ→２２０Ｖと変化すると、２２０Ｖ→約２００Ｖへの変化の時点では出力電流は減り、約２００Ｖ→２２０Ｖへの変化の時点では出力電流は急に大きくなって、いわゆる負荷２０への突入電流となるおそれがある。これに対し、本実施例の瞬時電圧低下保護装置では、電圧値が殆ど変化しないため、電流の変化も殆どなくて済み、負荷２０の故障を招くように過大な突入電流が流れることを防止することができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、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。例えば、上記実施例はコンデンサに蓄えた電気エネルギーを利用して電力を一時的に代替供給する瞬時電圧低下保護装置について説明したが、本発明は、例えば蓄電池に蓄えた電気エネルギーを利用して、より長時間に亘り電力を代替供給する無停電電源装置一般に適用することができることは明らかである。

本発明の一実施例による瞬時電圧低下保護装置の概略ブロック構成図。 制御部を中心とする制御・処理動作のフローチャート。 本実施例の瞬時電圧低下保護装置からの出力電圧波形（ａ）及び出力電流波形（ｂ）の一例を示す図。

符号の説明

１…商用交流電源
２…切替部
２１…ＦＥＴスイッチ
２２…双方向サイリスタ
３…電流トランス
４…インバータ部
５…蓄電部
５１…電解コンデンサ
６…補充電部
６１…トランス
６２…双方向サイリスタ
６３…整流用ダイオード
６４…コンデンサ
６５…抵抗器
７…フィルタ
１０…制御部
１１…入力電圧検出部
１２…補充電駆動部
１３…充電電圧検出部
１４…インバータ駆動部
１５…切替駆動部
１６…負荷電流検出部
１７…出力電圧検出部
２０…負荷

Claims (1)

1. 外部の交流電源から交流電力が供給される際に該電力に基づく電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段と、前記交流電源から負荷に供給される交流電力の電圧が低下したことを検出する検出手段と、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た補償交流電力を生成するべく該蓄電手段に蓄えられた直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を含む電力変換手段と、前記交流電源による交流電力と前記電力変換手段による補償交流電力とを択一的に負荷に供給する手段であって、前記検出手段による検出結果に応じて前記交流電源による交流電力に代えて前記補償交流電力を負荷に供給する切替手段と、を具備する無停電電源装置において、
   a)前記交流電源から交流電力が正常に供給されているときに前記切替手段を介して負荷に供給される該交流電力の電圧値を出力電圧検出部により監視して後記制御手段のメモリに記憶する電圧監視手段と、
   b)前記切替手段を切り替えることにより前記交流電源からの交流電力に代えて前記電力変換手段からの補償交流電力を負荷に出力する際に、前記電圧監視手段によりメモリに記憶されている電圧値に応じて補償交流電力の電圧値を調整するように前記電力変換手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   該制御手段は、前記交流電源からの交流電力の供給が正常であるときに記憶しておいた所定時間前の出力電圧値を前記メモリから読み出し、その読み出された正常時の出力電圧値と、前記出力電圧検出部により計測される負荷に供給される補償交流電圧の電圧値との差を求め、その差がゼロになるように前記インバータ回路を駆動することを特徴とする無停電電源装置。

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