JP2017011910A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
無停電電源装置から安定した電力を供給し続けることができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】
商用電源が異常状態のときは、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＤＣコンバータの異常の有無を検出するとともに、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＤＣコンバータのいずれか一方に異常が検出された場合には、インバータに接続された負荷の大きさに基づいて、２つのコンバータのうち正常なコンバータのみで蓄電池からの電力供給を行うか、ＡＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＤＣコンバータからの電力供給を停止するかを決める制御部と、を有することを特徴とする無停電電源装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、無停電電源装置のＤＣ−ＤＣコンバータ装置の軽負荷での運転継続性能向上に関するものである。

無停電電源装置の目的は商用電源が異常状態の場合に、蓄電池の電力により無停電電源装置から電力を供給し続けることである。商用電源が異常状態の場合は、蓄電池の電力をＡＣ−ＤＣコンバータに供給する切換え手段が動作し、ＡＣ−ＤＣコンバータがＤＣ−ＤＣコンバータとして動作し、蓄電池の電力により負荷へ電力を供給する技術が知られている。特許文献１には、「通常蓄電池を充電するＤＣ−ＤＣコンバータは、商用電源異常時に蓄電池を昇圧して放電しインバータへ直流電力を供給する。商用電源正常時に交流を直流に変換するコンバータを、商用電源に異常が発生した場合にコンバータ動作を停止し、切換器はコンバータと蓄電池を接続した状態にする。この状態で、コンバータのスイッチング素子がＤＣ−ＤＣコンバータと同様の動作をすることにより、蓄電池よりインバータへの電力供給を可能とする。この手段により、商用電源異常時に動作するＤＣ−ＤＣコンバータが複数構成になり、ＤＣ−ＤＣコンバータに流れる電流は低減し、使用するスイッチング素子の低価格化や員数低減が可能であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ用リアクトルの小型化が可能となる」ことが記載されている。

特開2009-131122号公報

特許文献１では、充放電用のＤＣ−ＤＣコンバータあるいは、ＤＣ−ＤＣコンバータとして動作させるＡＣ−ＤＣコンバータのいずれかが故障した場合には、無停電電源装置は最大の負荷電力を供給することができなくなるため、装置が停止してしまうことが考えられる。

そこで本発明では、商用電源の異常が発生し、ＡＣ−ＤＣコンバータの前段の前記切換え手段で商用電源側から蓄電池側に切換えた後に、充放電用ＤＣ−ＤＣコンバータまたはＡＣ−ＤＣコンバータが故障した場合において、無停電電源装置から安定した電力を供給し続けることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば、商用電源を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、ＡＣ−ＤＣコンバータで変換された直流電圧を平滑するコンデンサと、平滑コンデンサで平滑された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に電力を供給するインバータと、商用電源とＡＣ−ＤＣコンバータを連結する連結スイッチと、商用電源から電力が正常に供給されるときは、ＡＣ−ＤＣコンバータで変換された直流電圧をインバータに供給するとともに直流電圧を降圧して蓄電池を充電し、商用電源からの電力が異常状態のときは、充電された蓄電池の電力を昇圧して放電することによりインバータに直流電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＡＣ−ＤＣコンバータと蓄電池との間に設けられ、商用電源側から蓄電池側に切り替えることにより蓄電池の電力をＡＣ−ＤＣコンバータに供給することができる切換え部と、商用電源が異常状態のときは、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＤＣコンバータの異常の有無を検出するとともに、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＤＣコンバータのいずれか一方に異常が検出された場合には、インバータに接続された負荷の大きさに基づいて、２つのコンバータのうち正常なコンバータのみで蓄電池からの電力供給を行うか、ＡＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＤＣコンバータからの電力供給を停止するかを決める制御部と、を有することを特徴とする無停電電源装置である。

本発明によれば、商用電源の異常が発生し、ＡＣ−ＤＣコンバータの前段の前記切換え手段で商用電源側から蓄電池側に切換えた後に、充放用ＤＣ−ＤＣコンバータまたはＡＣ−ＤＣコンバータが故障した場合において、無停電電源装置から安定した電力を供給し続けることができる技術を提供することができる。

本発明の実施例による無停電電源装置の簡易回路図である。 商用電源異常時のＤＣ−ＤＣコンバータ故障時タイムチャートである。 商用電源異常時のＤＣ−ＤＣコンバータ故障時フローチャートである。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の対象となる無停電電源装置の構成図である。

商用電源１からの交流の一端は、連結スイッチ３とリアクトル１３、１４、１５を介して、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８に接続される。ＡＣ−ＤＣコンバータ３８は、それぞれ直列接続されたスイッチング素子１９、２０、２１、２２、２３、２４から構成され、商用電源１は、各スイッチング素子の接続中点に接続される。これらのスイッチング素子１９、２０、２１、２２、２３、２４は、制御回路３７からの信号によって駆動される。

連結スイッチ３とリアクトル１３、１４、１５の接続中点には、フィルタコンデンサ１０、１１、１２が接続され、一端はコンデンサ同士で接続される。

ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の他端には、直流コンデンサ３３が接続される。

さらに直流コンデンサ３３の両端は、インバータ４０に接続される。インバータ４０は、それぞれ直列接続されたスイッチング素子２７、２８、２９、３０、３１、３２で構成される。これらのスイッチング素子２７、２８、２９、３０、３１、３２も、制御回路３７からの信号によって駆動される。

これらのスイッチング素子２７、２８、２９、３０、３１、３２のそれぞれの接続中点はフィルタ３４を介して負荷３５に接続される。

また、直流コンデンサ３３の両端は、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する直列接続されたスイッチング素子２５、２６の両端にも接続される。このスイッチング素子２５、２６も制御回路３７からの信号によって駆動される。

このスイッチング素子２５、２６の接続中点は、直列接続された直流リアクトル１８を介して蓄電池３６に接続される。蓄電池３６の一端はスイッチング素子２６の一端に接続される。

切換えスイッチ１６の一端は、連結スイッチ３とリアクトル１３の接続中点に接続され、切換えスイッチ１６のもう一端は直流スイッチ１７と直流リアクトル１８の接続中点に接続される。

なお、連結スイッチ３、切換えスイッチ１６、直流スイッチ１７も制御回路３７からの信号によって駆動される。

ＡＣ−ＤＣコンバータ３８は、商用電源１の交流を直流に変換する。直流はさらにインバータ４０で交流に逆変換され、フィルタ３４を介して負荷３５に電力を供給する。

また、コンデンサ３３は、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８によって変換された直流電圧を平滑するために装備する。このコンデンサ３３の直流電圧は蓄電池３６の電圧よりも大きいものとする。

また、充放電用のＤＣ−ＤＣコンバータ３９は、商用電源１が正常のとき降圧チョッパ回路として動作をし、直流リアクトル１８を介して蓄電池３６を充電する。一方、商用電源１が異常のときは、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８は停止し、充放電用のＤＣ−ＤＣコンバータ３９が昇圧チョッパ回路として動作し、直流リアクトル１８を介して蓄電池３６からインバータ４０に直流電力を供給する。さらに連結スイッチ３を開放し、一旦停止したＡＣ−ＤＣコンバータ３８はリアクトル１３を介して、フィルタコンデンサ１０を蓄電池電圧３６となるように電荷の充電および放電を実施した後、切換えスイッチ１６を閉じる。ＡＣ−ＤＣコンバータ３８を構成する直列に接続した半導体スイッチ１９、２０は昇圧チョッパ回路として動作し、リアクトル１３を介して、蓄電池３６からインバータ４０に直流電力を供給する。このように、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８およびＤＣ−ＤＣコンバータ３９を並列状態で放電運転を行うことにより、コンバータに流れる電流は低減し、使用するスイッチング素子の低価格化や員数低減が可能であり、コンバータの小型化が可能となる。

ＡＣ−ＤＣコンバータ３８およびＤＣ−ＤＣコンバータ３９は、異常を検出する検出器４１および検出器４２をそれぞれ設けている。これらの検出器によりコンバータ３８または放電用のＤＣ−ＤＣコンバータ３９のいずれかの故障を検出した場合であって、制御回路３７にて負荷３５が所定値より小さいと判断した場合には、ＡＣ−ＤＣコンバータフューズ４４またはＤＣ−ＤＣコンバータフューズ４５により故障した回路が切り離され、正常な回路だけで蓄電池３６からインバータ４０に直流電力を供給する。また、制御回路３７にて負荷が所定値より大きいと判断した場合は、安定した電源を供給することができなくなるため、いずれのコンバータの動作も停止させて給電を停止する。なお、この負荷３５の所定値は、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の耐量によって決められる値である。このように、本実施例では、商用電源の異常が発生し、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の切り替えスイッチにより商用電源側から蓄電池側に切換えた後に、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９またはＡＣ−ＤＣコンバータ３８が故障した場合において、装置の負荷条件により動作を切換える動作を行う。具体的には装置負荷が小さい場合には、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８またはＤＣ−ＤＣコンバータ３９のうち、故障していないコンバータで電力を供給することにより、無停電電源装置から電力を供給し続けることができる。つまり、故障したＤＣ−ＤＣコンバータの分の電力をもう一方の故障していないＤＣ−ＤＣコンバータが供給することにより、無停電電源装置から電力を供給し、運転を継続することができる。

図２は、商用電源異常時で、かつ負荷３５が軽い場合であって、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９が異常となった場合の商用電源１、連結スイッチ３、直流スイッチ１７、切換えスイッチ１６、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９のタイムチャートを示す。

図２の上から順に、商用電源１、連結スイッチ３、直流スイッチ１７、切換えスイッチ１６、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９の各時刻における動作を示している。

まず、時刻ｔ１までは商用電源１が正常状態であるため、連結スイッチ３はＯＮ、直流スイッチ１７はＯＮ、切り替えスイッチ１６はＯＦＦ、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８はＡＣ−ＤＣ運転を行い、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９は降圧チョッパ回路運転を行う。

次に、時刻ｔ１になり、商用電源１が異常状態になった場合、連結スイッチ３をＯＦＦにするとともにＡＣ−ＤＣコンバータ３８を停止させ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９を昇圧チョッパ回路運転させて蓄電池３６からインバータ４０に直流電力を供給する。

次に、時刻ｔ２において切換えスイッチ１６を閉じたのちに、フィルタコンデンサ１０が蓄電池電圧３６になるようにＡＣ−ＤＣコンバータ３８を駆動させる。ここで、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８が昇圧運転を行うため、時刻ｔ２〜ｔ３においてはＤＣ−ＤＣコンバータ３９はその分の電力量を減らした運転を行う。

時刻ｔ３においてＤＣ−ＤＣコンバータ３９に故障が発生したとする。このとき負荷２６が所定値よりも大きい場合はＤＣ−ＤＣコンバータ３９を回路から切り離し、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の昇圧運転を行う。このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８は、時刻ｔ２〜ｔ３に稼働していたＤＣ−ＤＣコンバータ３９の電力量を担保するように駆動するため、時刻ｔ３において出力電力量が増えている。なお、ｔ３以降のＤＣ−ＤＣコンバータ３９は故障による停止状態にある。

図３は、商用電源異常になってからＤＣ−ＤＣコンバータ３９が故障してＡＣ−ＤＣコンバータ３８のみで負荷へ電力を供給するまでの動作フローチャートを示す。

商用電源１で異常が発生した場合（Ｓ３０１）、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の運転を停止する（Ｓ３０２）。次に、連結スイッチ３をＯＦＦにした後（Ｓ３０３）、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９の昇圧回路運転を動作させる（Ｓ３０４）。次に切換えスイッチ１６をＯＮにし（Ｓ３０５）ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の昇圧回路運転を行う（Ｓ３０６）。このとき、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の電力量分を削減した電力量を出力するようにＤＣ−ＤＣコンバータ３９を稼働させる（S３０７）。次にＤＣ−ＤＣコンバータ３９の昇圧の異常があるか否かを判定する（Ｓ３０８）。異常がある場合は（Ｓ３０８のＹＥＳ）負荷２６の負荷状態を判定する（Ｓ３０９）。負荷状態が所定値未満の場合は（Ｓ３０９のＹＥＳ）、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９を回路から切り離し（Ｓ３１０）、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の昇圧回路運転を行う（Ｓ３１２）。一方、負荷状態が所定値以上の場合は（Ｓ３０９のＮＯ）、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の運転を停止する。

なお、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８が異常状態になった場合も図３のフローと同様の動作を行う。すなわち、ＡＣ−ＤＣコンバータ３８の異常の有無を判定し、負荷状態に応じてＡＣ−ＤＣコンバータ３８を回路から切り離してＤＣ−ＤＣコンバータ３９の昇圧回路運転を行うか、ＤＣ−ＤＣコンバータ３９の運転を停止する。

このように、商用電源の異常時にＡＣ−ＤＣコンバータ３８またはＤＣ−ＤＣコンバータ３９が故障した場合において、負荷条件によってＡＣ−ＤＣコンバータ３８およびＤＣ−ＤＣコンバータ３９の動作切換えを行うことで、重負荷の場合は装置を停止して安定した電力を供給することができなくなることを防ぎ、軽負荷の場合は故障したコンバータを切り離し故障状態でないコンバータを稼働させることで運転継続性能を向上することができる。

１…商用電源
３…連結スイッチ
１０〜１２…フィルタコンデンサ
１３〜１５…リアクトル
１６…切換えスイッチ
１７…直流スイッチ
１８…直流リアクトル
１９〜３２…スイッチング素子
３３…直流コンデンサ
３４…フィルタ
３５…負荷
３６…蓄電池
３７…制御回路
３８…ＡＣ−ＤＣコンバータ
３９…ＤＣ−ＤＣコンバータ
４０…インバータ
４１…ＡＣ−ＤＣコンバータ故障検出器
４２…ＤＣ−ＤＣコンバータ故障検出器
４３…インバータ故障検出器
４４…ＡＣ−ＤＣコンバータフューズ
４５…ＤＣ−ＤＣコンバータフューズ
４６…インバータフューズ

Claims (4)

1. 商用電源を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＡＣ−ＤＣコンバータで変換された直流電圧を平滑するコンデンサと、
   前記平滑コンデンサで平滑された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に電力を供給するインバータと、
   前記商用電源と前記ＡＣ−ＤＣコンバータを連結する連結スイッチと、
   前記商用電源から電力が正常に供給されるときは、前記ＡＣ−ＤＣコンバータで変換された直流電圧を前記インバータに供給するとともに前記直流電圧を降圧して蓄電池を充電し、前記商用電源からの電力が異常状態のときは、前記充電された蓄電池の電力を昇圧して放電することにより前記インバータに直流電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記蓄電池との間に設けられ、前記商用電源側から前記蓄電池側に切り替えることにより前記蓄電池の電力を前記ＡＣ−ＤＣコンバータに供給することができる切換え部と、
   前記商用電源が異常状態のときは、前記ＡＣ−ＤＣコンバータまたは前記ＤＣ−ＤＣコンバータの異常の有無を検出するとともに、前記ＡＣ−ＤＣコンバータまたは前記ＤＣ−ＤＣコンバータのいずれか一方に異常が検出された場合には、前記インバータに接続された負荷の大きさに基づいて、前記２つのコンバータのうち正常なコンバータのみで前記蓄電池からの電力供給を行うか、前記ＡＣ−ＤＣコンバータおよび前記ＤＣ−ＤＣコンバータからの電力供給を停止するかを決める制御部と、
   を有する無停電電源装置。
2. 請求項１に記載の無停電電源装置において、
   前記負荷の大きさが所定値以下の場合は、前記２つのコンバータのうち正常なコンバータを構成するスイッチング素子によって前記蓄電池の電力を昇圧させるとともに、異常が検出されたコンバータを回路から切り離す無停電電源装置。
3. 請求項２に記載の無停電電源装置において、
   前記異常が検出されたコンバータが前記異常が検出される前に出力していた電力を出力するように、前記正常なコンバータを構成するスイッチング素子によって前記蓄電池の電力を昇圧させる無停電電源装置。
4. 請求項２に記載の無停電電源装置において、
   前記切換え部を前記商用電源側から前記蓄電池側に切り替え、前記２つのコンバータのうち正常なコンバータを構成するスイッチング素子によって前記ＡＣ−ＤＣコンバータを前記ＤＣ−ＤＣコンバータとして動作させる無停電電源装置。

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