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JP2012005324A - 無停電電源システム - Google Patents

無停電電源システム Download PDF

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Abstract

【課題】無停電電源装置あるいは負荷の点検後の復旧時に稼動中のシステムへの影響を回避可能な無停電電源システムを提供する。
【解決手段】無停電電源システム100は、負荷4A,4Bに対応してそれぞれ設けられた無停電電源装置1A,1Bと、負荷4A,4Bに対応してそれぞれ設けられたスイッチ3A1,3B1と、無停電電源装置1A,1Bに対応してそれぞれ設けられたスイッチ3A2,3B2とを備える。スイッチ3A1(3B1)は、負荷4A(4B)を当該負荷4A(4B)に対応する無停電電源装置1A(1B)に接続するか否かを切換える。電源側スイッチ3A2,3B2は、無停電電源装置1A,1Bの一方の出力を、他方の出力に接続するか否かを切換える。
【選択図】図1

Description

本発明は無停電電源システムに関し、特に、複数の無停電電源装置を並列に配置した無停電電源システムに関する。
従来の無停電電源システムにおける無停電電源装置は、交流入力電源と商用電源とを入力としている。通常、無停電電源装置は交流入力電源を入力とし、コンバータを介して交流を直流に変換して、蓄電池の充電およびインバータへの電力の供給を行なう。インバータは、直流を交流に変換して負荷に給電する。
インバータの故障あるいは保守点検時には、インバータ側開閉器を開放し、負荷開閉器をバックアップ用の商用電源側に切換えてバックアップ運転を行なう。これによりバックアップ用の商用電源からインバータを経由せず負荷に電力が供給される。以下では、このような給電形態を「バイパス給電」と呼ぶ。
バイパス給電では商用電源が停電した場合には負荷への給電が停止する。負荷への給電の停止を防ぐために、複数の無停電電源装置を並列運転する構成が提案されている。
図9は、従来の無停電電源システムの構成の一例を示した図である。図9を参照して、無停電電源システムは、負荷54A,54Bと同数の無停電電源装置(図中、「UPS」と示す)51A,51Bを備える。負荷ごとに2つのスイッチが配置される。無停電電源装置51Aは交流入力電源52Aに接続され、無停電電源装置51Bは交流入力電源52Bに接続される。
この構成では、無停電電源装置51A,51Bのいずれか一方のみが負荷54A,54Bに給電し、他方の無停電電源装置は、待機状態とされる。たとえば、無停電電源装置51Aが負荷54A,54Bに給電する場合、無停電電源装置51Bが待機状態となる。この場合には、スイッチ53A,53Cがオンする一方、スイッチ53B,53Dがオフする。この状態において無停電電源装置51Aが故障すると、無停電電源装置51Aの給電形態がバイパス給電に切り換わる。
無停電電源装置51Aの点検時には、無停電電源装置51Bが負荷54A,54Bに給電する。この場合、スイッチ53A,53Cがオフする一方、スイッチ53B,53Dがオンする。負荷54Aまたは負荷54Bの点検時には、その負荷に接続された2つのスイッチがオフする。
図10は、従来の無停電電源システムの構成の他の例を示した図である。図10を参照して、この構成では、無停電電源装置51A,51Bのそれぞれにスイッチ55A,55Cが設けられるだけでなく、負荷54A,54Bのそれぞれにもスイッチ55B,55Dが設けられる。通常時には、スイッチ55A〜55Dがオンして、各負荷は無停電電源装置51A,51Bの両方から給電される。
たとえば無停電電源装置51Aの故障時あるいは点検時には、スイッチ55Aがオフする。したがって負荷54A,54Bは無停電電源装置51Bのみによって給電される。無停電電源装置51Aの点検中に無停電電源装置51Bが故障した場合には、無停電電源装置51Bの給電形態がバイパス給電に切り換わる。負荷54Aまたは負荷54Bの点検時には、その負荷に対応するスイッチがオフする。
たとえば特許文献1(特開2007−189861号公報)は、並列冗長が失われる状態を自動検出して警報を発することにより、稼働率を向上させることが可能な無停電電源システムを提供する。この無停電電源システムにおいて、各々の無停電電源装置は、その出力容量を検出する出力容量検出手段と、全体システムとして並列冗長性が成立するための許容負荷を検出する許容負荷容量検出手段とを有するとともに、出力容量が許容負荷を超えたときに警報信号を発する。
特開2007−189861号公報
たとえば図9に示された無停電電源システムの場合、2つの無停電電源装置のうちの一方がバイパス給電を行なっている間に交流入力電源が停電した場合、負荷への給電が途絶えてしまうという課題がある。
図10に示された無停電電源システムでは、このような課題を解決できるものの、以下のような課題が生じる。
まず、2つの無停電電源装置のうちの1つの点検が完了した後に、その無停電電源装置に対応するスイッチ(55A,55Cのいずれか一方)をオンすると、その無停電電源装置が直ちに稼動中のシステムに並入される。したがって無停電電源装置を通電状態で試運転(エージングを含む)することが難しい。
また、2つの負荷のうちの1つを点検した場合にも、その負荷の復旧時に負荷側のスイッチがオンされることによって、当該負荷が稼動中のシステムに直ちに投入される。負荷の投入時のインラッシュによって、無停電電源装置が過負荷を検出する可能性がある。この場合、無停電電源装置の給電が通常の給電からバイパス給電へと切り換わる可能性がある。
このように、複数(代表的には2つ)の系統の負荷に給電する無停電電源システムにおいては、点検のために無停電電源装置あるいは負荷を稼動中のシステムから切り離した場合、その無停電電源装置あるいは負荷を稼動中のシステムに投入する際に稼動中のシステムへの影響が生じる可能性がある。
本発明の目的は、無停電電源装置あるいは負荷の点検後の復旧時に稼動中のシステムへの影響を回避可能な無停電電源システムを提供することである。
本発明のある局面に係る無停電電源システムは、複数の負荷に対応してそれぞれ設けられた複数の無停電電源装置と、複数の負荷に対応してそれぞれ設けられた複数の負荷側スイッチと、複数の無停電電源装置に対応してそれぞれ設けられた複数の電源側スイッチとを備える。負荷側スイッチは、負荷を当該負荷に対応する無停電電源装置に接続するか否かを切換える。電源側スイッチは、複数の無停電電源装置のうちの任意の1つの無停電電源装置の出力を、残りの無停電電源装置の出力に接続するか否かを切換える。
本発明によれば、無停電電源装置あるいは負荷の点検後の復旧時に健全なシステムへの影響を回避可能な無停電電源システムを実現できる。
本発明の実施の形態1に係る無停電電源システムの基本的構成を示した図である。 図1に示した無停電電源装置の第1の構成例を示した図である。 図1に示した無停電電源装置の第2の構成例を示した図である。 実施の形態1による無停電電源装置および負荷の点検の流れを説明するためのフロー図である。 本発明の実施の形態1に係る無停電電源システムが有するスイッチの配置例を示した図である。 本発明の実施の形態2に係る無停電電源システムの基本的構成を示した図である。 図6に示した3つの無停電電源装置のうちの1つが故障した場合の負荷への給電形態を示した図である。 本発明の実施の形態3に係る無停電電源システムの基本的構成を示した図である。 従来の無停電電源システムの構成の一例を示した図である。 従来の無停電電源システムの構成の他の例を示した図である。
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に係る無停電電源システムの基本的構成を示した図である。図1を参照して、実施の形態1に係る無停電電源システム100は、無停電電源装置1A,1Bと、スイッチ3A1,3A2,3B1,3B2とを備える。
無停電電源装置1Aは、交流入力電源2Aから交流電力を受けるとともに、その交流電力を直流電力に一旦変換する。その直流電力は、無停電電源装置1Aの内部で交流電力に変換される。無停電電源装置1Aは、直流電力からの変換によって得られる交流電力を給電経路L1に出力する。
無停電電源装置1Bは、交流入力電源2Bから交流電力を受けるとともに、その交流電力を直流電力に一旦変換する。その直流電力は、無停電電源装置1Bの内部で交流電力に変換される。無停電電源装置1Bは、直流電力からの変換によって得られる交流電力を給電経路L2に出力する。
スイッチ3A1は、負荷4Aを無停電電源装置1Aに接続するか否かを切換える負荷側スイッチである。スイッチ3B1は、負荷4Bを無停電電源装置1Bに接続するか否かを切換える負荷側スイッチである。
スイッチ3A1は、給電経路L1に挿入されるとともに、接続点P1と負荷4Aとの間に配置される。接続点P1は給電経路L1と給電経路LAとの接続点である。スイッチ3B1は、給電経路L2に挿入されるとともに接続点P2と負荷4Bとの間に配置される。接続点P2は給電経路L2と給電経路LAとの接続点である。
スイッチ3A2,3B2は、給電経路LAに挿入される電源側スイッチである。スイッチ3A2は、3B2は並列スイッチであり、これら2つのスイッチは同時にオンするとともに同時にオフされる。スイッチ3A2,3B2は無停電電源装置1A,1Bの一方の出力を他方の出力に接続するか否かを切換える。スイッチ3A2,3B2は、たとえば手動で操作することも可能であり、図示されない制御装置の指令によって制御されることも可能である。
無停電電源装置1A,1Bは同じ構成を有する。したがって、以下では代表的に無停電電源装置1Aの構成について説明する。
図2は、図1に示した無停電電源装置の第1の構成例を示した図である。図2を参照して、無停電電源装置1Aは、開閉器11,16,17,19,20と、コンバータ12と、コンデンサ13,15と、インバータ14と、チョッパ18と、サイリスタスイッチ21とを備える。
コンバータ12は、開閉器11を介して交流入力電源7に接続される。コンバータ12は交流入力電源7から供給される交流電力を直流電力に変換して、その直流電力をインバータ14に供給する。コンバータ12から出力される直流電力はコンデンサ13によって平滑化される。
チョッパ18は、開閉器11を介して蓄電池5に接続されるとともにインバータ14の直流側に接続される。チョッパ18は蓄電池5の電圧とインバータ14の直流電圧とを相互に変換する。通常は、蓄電池5はコンバータ12によって充電される。交流入力電源7が停電したときには、チョッパ18は蓄電池5からの直流出力をインバータ14に供給する。
インバータ14は、入力された直流電力を交流電力に変換するとともに、その交流電力を開閉器16を介して負荷(図示せず)に供給する。コンデンサ15は、インバータ14から出力される交流電力に含まれる高周波ノイズを除去するためのものである。
開閉器19は、交流入力電源6に接続される。開閉器20およびサイリスタスイッチ21は、開閉器19に並列接続される。交流入力電源6から無停電電源装置1Aに与えられた交流電力は開閉器19,20およびサイリスタスイッチ21を介して開閉器16の出力側に供給される。インバータ14の故障時あるいは保守点検時には、バイパス給電を行なうために開閉器19,20およびサイリスタスイッチ21を介して、交流入力電源6から負荷に電力が供給される。
図3は、図1に示した無停電電源装置の第2の構成例を示した図である。図3に示した構成は、図2に示した構成からチョッパ18が省略されるとともにトランス22が追加される。トランス22は、コンデンサ15とともに、インバータ14から出力される交流電力に含まれる高周波ノイズを除去する。図3に示した無停電電源装置の動作は、上記の動作と同様であるので詳細な説明は以後繰り返さない。
なお、図2および図3に示した交流入力電源6,7は、図1に示した交流入力電源2A,2Bの各々に対応する。
次に、実施の形態1に係る無停電電源システムの動作について説明する。この無停電電源システムは、並列スイッチ(スイッチ3A2,3B2)のオンおよびオフによって並列運転モードと単機運転モードとを切換える。
負荷4A,4Bの両方に給電を行なう場合、並列運転モードが選択される。この場合、スイッチ3A1,3B1,3A2,3B2が全てオンする。これにより、負荷4A,4Bの各々に対して無停電電源装置1A,1Bが並列接続される。
負荷4Aまたは負荷4Bの点検時には、単機運転モードが選択される。また、無停電電源装置1Aまたは無停電電源装置1Bの点検時にも単機運転モードが選択される。単機運転モードでは、並列スイッチ(3A2,3B2)がオフする。これにより、実施の形態1に係る無停電電源システムは、無停電電源装置1A、スイッチ3A1および負荷4Aによって構成される第1の系統と、無停電電源装置1B、スイッチ3B1および負荷4Bによって構成される第2の系統とに分離される。並列スイッチ(3A2,3B2)がオフすることで、第1および第2の系統の一方の動作を継続させつつ、他方を点検できる。さらに、第1および第2の系統のうちの点検対象の系統では負荷側スイッチ(スイッチ3A1または3B1)がオフされる。
単機運転モードおよび並列運転モードのどちらが選択されるかは、無停電電源装置の起動時における並列スイッチ(3A2,3B2)の状態がオン状態およびオフ状態のいずれであるかによって定まる。また、無停電電源システムの運転中に単機運転モードから並列運転モードに切換える場合、たとえば外部からの指令によって、動作中である一方の無停電電源装置の出力に、他方の無停電電源装置の電圧振幅および位相を合わせることによって、その他方の無停電電源装置を稼動中のシステムに並入できる。
図4は、実施の形態1による無停電電源装置および負荷の点検の流れを説明するためのフロー図である。図4を参照して、まずステップS1において、並列スイッチ(スイッチ3A2,3B2)をオフする。これにより、点検対象の系統が単機運転モードとなる。
ステップS2において、点検対象の系統の負荷側のスイッチをオフする。ステップS3において、無停電電源装置(UPS)および負荷の両方を点検する。
ステップS4〜S6の処理は、点検が完了した系統を復旧させるための処理を示している。ステップS4において、負荷側のスイッチをオンする。ステップS5においてUPSを通電状態でエージングする。エージングの完了後、ステップS6において並列スイッチ(スイッチ3A2,3B2)をオンする。これにより点検対象の系統がシステムに並入されるので、その系統に含まれる無停電電源装置および負荷の復旧が完了する。
実施の形態1によれば、スイッチ3A2,3B2(並列スイッチ)をオフすることで、点検対象の系統と稼動中の系統とを分離できる。さらに、点検作業後の復旧時において、点検対象の系統に含まれる無停電電源装置を通電状態でエージングさせることができる。エージング完了後に並列スイッチをオンすることで、稼動中のシステム(系統)への影響を小さくしながら点検後の無停電電源装置をシステムに復旧させることができる。
また、実施の形態1によれば、点検対象の復旧時には、負荷側スイッチをオンした後に並列スイッチをオンする。これにより、負荷の復旧による稼動中のシステムへの影響を小さくできる。たとえば無停電電源装置1B,負荷4Bを点検した場合には、まずスイッチ3B1がオンする。この場合、インラッシュによって無停電電源装置1Bが過負荷状態となり、無停電電源装置1Bの給電形態がバイパス給電となる可能性がある。しかし、並列スイッチがオフしているため、稼動中のシステム(系統)への影響は生じない。また、時間が経過するにつれて無停電電源装置1Bの過負荷状態が解消されるため、無停電電源装置1Bの給電形態は通常の形態に戻る。無停電電源装置1Bの給電形態が通常の形態に戻ったタイミングで並列スイッチをオンすることにより、稼動中のシステムへの影響を回避しつつ無停電電源装置1Bおよび負荷4Bを復旧させることができる。
このように実施の形態1によれば、2つの負荷に対して2つの無停電電源装置が設けられた無停電電源システムにおいて、無停電電源装置あるいは負荷の点検後の復旧時に、健全なシステムへの影響を回避することができる。
並列スイッチを構成するスイッチ3A2,3B2の配置は図1に示したように限定されるものではなく、図5に示す様に、たとえば各無停電電源装置の出力に電源側スイッチおよび負荷側スイッチの2つが並列的に並列接続される配置でもよい。
[実施の形態2]
図6は、本発明の実施の形態2に係る無停電電源システムの基本的構成を示した図である。図6を参照して、実施の形態2に係る無停電電源システム101は、3つの負荷4A,4B,4Cに給電するためのシステムである。図4および図5の比較から理解されるように、無停電電源システム101は、無停電電源装置1Cと、スイッチ3C1,3C2とをさらに備える点において、実施の形態1に係る無停電電源システム100と異なる。
無停電電源装置1Cの構成は、無停電電源装置1A,1Bの構成と同様であり、図2または図3に示す構成を有する。スイッチ3C1は、負荷4Cを無停電電源装置1Cに接続するか否かを切換える負荷側スイッチである。スイッチ3C2は、給電経路L3に挿入され、接続点P3と負荷4Cとの間に配置される。接続点P3は給電経路L3と給電経路LAとの接続点である。
スイッチ3C2は、給電経路LAに挿入される電源スイッチである。この実施の形態において、スイッチ3A2,3B2,3C2の各々は、対応する無停電電源装置の出力を他の2つの出力に接続するか否かを切換える。実施の形態1と同様に、実施の形態2においても上記スイッチは、たとえば手動で操作することも可能であり、図示されない制御装置の指令によって制御されることも可能である。
次に、実施の形態2に係る無停電電源システムの動作について説明する。この無停電電源システムは、スイッチ3A2,3B2,3C2の各々のオンおよびオフによって並列運転モードと単機運転モードとを切換える。たとえば無停電電源装置1Aおよび負荷4Aの点検時には、スイッチ3A2がオフされるとともにスイッチ3A1がオフされる。一方、スイッチ3B2,3C2,スイッチ3B1,3C1はオン状態である。したがって無停電電源装置1Aおよび負荷4A(第1の系統)がシステムから切り離されて、単機運転モードとなる。一方、スイッチ3B2,3C2がオンしているため、負荷4B,4Cの各々は、無停電電源装置1B,1Cの両方によって給電される。したがって、無停電電源装置1B,1Cおよび負荷4B,4Cは並列運転モードで動作する。
無停電電源装置1Aおよび負荷4Aを復旧させる際には、まずスイッチ3A1がオンする。次に無停電電源装置1Aの試運転(エージングなど)が行なわれる。無停電電源装置1Aの試運転の完了後にスイッチ3A2がオンする。これにより実施の形態1と同様に、無停電電源装置あるいは負荷の点検後の復旧時に、稼動中のシステムへの影響を回避することができる。
さらに、実施の形態2によれば、3つの無停電電源装置のうちの1つが故障した場合にも、残りの2つの無停電電源装置によって3つの負荷を運転することができる。無停電電源装置の故障の一例としては、たとえばインバータ側開閉器(図2または図3に示す開閉器16に相当)が挙げられる。
図7は、図6に示した3つの無停電電源装置のうちの1つが故障した場合の負荷への給電形態を示した図である。図6を参照して、無停電電源装置1Aが故障した場合には、無停電電源装置1Aが停止する。この場合にも、スイッチ3A1,3A2,3B1,3B2,3C1,3C2がすべてオンすることで、無停電電源装置1B,1Cによって負荷4A〜4Cへの給電が可能になる。この場合には、破線に示された給電経路が形成される。無停電電源装置1Bが故障した場合あるいは無停電電源装置1Cが故障した場合にも、スイッチ3A1,3A2,3B1,3B2,3C1,3C2がすべてオンすることで、負荷4A〜4Cへの給電が可能になることはいうまでもない。
図6および図7では負荷が3つの場合の無停電電源システムの構成を示した。負荷が4つ以上である場合にも、追加された負荷に対応して無停電電源装置を追加すればよい。そして追加された負荷に対応して負荷側スイッチを設けるとともに、追加された無停電電源装置に対応して負荷に対応して電源側スイッチを設ければよい。
このように実施の形態2によれば、負荷の数が3以上である場合にも、無停電電源装置あるいは負荷の点検後の復旧時に、健全なシステムへの影響を回避可能な無停電電源システムを実現できる。
[実施の形態3]
図8は、本発明の実施の形態3に係る無停電電源システムの基本的構成を示した図である。図1および図8を参照して、実施の形態3に係る無停電電源システム102は、制御装置30をさらに備える点において、実施の形態1に係る無停電電源システム100と異なる。
制御装置30は、図4に示した処理のうちのスイッチの制御に関する処理、すなわちステップS1,S2,S4,S6の処理を実行する。なお、複数の制御装置によってスイッチの制御が実行されてもよい。たとえば、並列スイッチ(スイッチ3A2,3B2)を制御するための制御装置と、負荷側のスイッチ(スイッチ3A1,3B1)を制御するための制御装置とが設けられてもよい。
実施の形態3に係る無停電電源システムにおいて、制御装置が制御する電源側スイッチおよび負荷側スイッチの数は特に限定されない。図8では無停電電源装置の数が2台の場合を示したが、実施の形態3に係る無停電電源システムは、3台以上の無停電電源装置を備える無停電電源システム(たとえば図6に示した構成)にも適用可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1A,1B,1C 無停電電源装置、2A,2B,6,7 交流入力電源、3A1,3B1,3C1,3A2,3B2,3C2 スイッチ、4A,4B,4C 負荷、5 蓄電池、11,16,17,19,20 開閉器、12 コンバータ、13,15 コンデンサ、14 インバータ、18 チョッパ、21 サイリスタスイッチ、22 トランス、30 制御装置、100,101,102 無停電電源システム、L1,L2,L3,LA 給電経路、P1,P2,P3 接続点。

Claims (4)

  1. 複数の負荷に対応してそれぞれ設けられた複数の無停電電源装置と、
    前記複数の負荷に対応してそれぞれ設けられて、前記負荷を当該負荷に対応する前記無停電電源装置に接続するか否かを切換える複数の負荷側スイッチと、
    前記複数の無停電電源装置に対応してそれぞれ設けられて、前記複数の無停電電源装置のうちの任意の1つの無停電電源装置の出力を、残りの無停電電源装置の出力に接続するか否かを切換える複数の電源側スイッチとを備える、無停電電源システム。
  2. 前記複数の負荷は、第1および第2の負荷であり、
    前記複数の無停電電源装置は、前記第1の負荷に対応する第1の無停電電源装置と、前記第2の負荷に対応する第2の無停電電源装置であり、
    前記複数の負荷側スイッチは、前記第1の負荷に対応する第1の負荷側スイッチと、前記第2の負荷に対応する第2の負荷側スイッチであり、
    前記複数の電源側スイッチは、前記第1の無停電電源装置に対応する第1の電源側スイッチと、前記第2の無停電電源装置に対応する第2の電源側スイッチである、請求項1に記載の無停電電源システム。
  3. 前記第1および第2の無停電電源装置によって前記第1および第2の負荷に給電する場合には、前記第1および第2の電源側スイッチおよび前記第1および第2の負荷側スイッチはいずれもオン状態であり、
    前記第1の無停電電源装置、前記第1の負荷側スイッチおよび前記第1の負荷によって第1の系統が構成され、
    前記第2の無停電電源装置、前記第2の負荷側スイッチおよび前記第2の負荷によって第2の系統が構成され、
    前記第1および第2の系統の両方の動作時には、第1および第2の電源側スイッチがともにオン状態であり、
    前記第1および第2の系統のうちの一方の系統が点検されるとともに他方の系統が動作を継続する時には、第1および第2の電源側スイッチがともにオフ状態である、請求項2に記載の無停電電源システム。
  4. 前記一方の系統の点検時には、前記第1および第2の負荷側スイッチのうちの前記一方の系統に対応するスイッチがオフ状態であり、
    前記一方の系統の復帰時には、前記第1および第2の負荷側スイッチのうちの前記一方の系統に対応するスイッチがオン状態となった後に、前記第1および第2の電源側スイッチがともにオン状態となる、請求項3に記載の無停電電源システム。
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