JP2013090524A - 無停電電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの容量を小さく設定でき、装置を小型化及び安価にすることができる無停電電源システムを提供する。
【解決手段】直流入力を交流に変換して出力するインバータ７と、商用電源１からの交流電力を直流電力に変換し、インバータ７に出力するコンバータ８と、商用電源１及び２の瞬低及び停電を検出する検出回路１５と、瞬低検出時にインバータ７に直流電力を供給する蓄電池４と、通常時は商用電源２からの交流電力を通常負荷６に供給し、瞬低が検出されると、インバータ７からの交流電力を通常負荷６に供給する無瞬断切換回路１３とを備える。インバータ７は、瞬低が検出されると、過負荷耐量の領域を用いて、重要負荷５及び通常負荷６への電源供給を行う。無瞬断切換回路１３は、停電が検出されると、通常負荷６への電力供給を停止させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、停電時及び瞬低時のバックアップ電源として使用される無停電電源システムに関するものである。

コンピュータ等の重要負荷には、常時安定した質の良い電源が要求される。重要負荷には、瞬間的な停電も許されない。また、重要負荷には、停電が発生した後、５乃至１０分程度は、給電の継続が求められる。このため、重要負荷に対して電源を供給するための装置として、常時インバータ給電方式の無停電電源装置（以下、「ＵＰＳ」とも表記する）が用いられる。

図５は従来の常時インバータ給電方式の無停電電源装置を示す構成図である。
常時インバータ給電方式のＵＰＳ２４には、入力端子２４ａ及び２４ｂに、商用電源２５及び２６が接続されている。ＵＰＳ２４の外部端子２４ｃには、蓄電池２７が接続されている。ＵＰＳ２４の出力端子２４ｄには、重要負荷２８が接続されている。

ＵＰＳ２４では、通常時、商用電源２５からの交流電力が、交流入力遮断器２９を介してコンバータ３０に入力される。コンバータ３０は、商用電源２５からの交流電力を直流電力に変換してインバータ３１に出力する。インバータ３１は、コンバータ３０からの直流電力を交流電力に逆変換して、無瞬断切換回路３２に出力する。無瞬断切換回路３２では、半導体スイッチ３３をＯＦＦに、コンタクタ３４をＯＮにして、インバータ３１からの交流電力を重要負荷２８に供給する。

３５は入力端子２４ｂと無瞬断切換回路３２の半導体スイッチ３３とに接続されたバイパス回路、３６はバイパス回路３５に備えられたバイパス入力遮断器である。無瞬断切換回路３２は、コンバータ３０或いはインバータ３１が故障すると、半導体スイッチ３３をＯＮに、コンタクタ３４をＯＦＦに切り換えて、商用電源２６からの交流電力を重要負荷２８に供給する。

商用電源２５及び２６に停電が発生すると、コンバータ３０が停止され、蓄電池２７からの直流電力が、直流遮断器３７を介してインバータ３１に供給される。重要負荷２８に対しては、通常時もインバータ３１側から給電が行われている。このため、無瞬断切換回路３２では、停電が発生しても、特に切換動作を行わない。重要負荷２８に対しては、商用電源２５及び２６に停電が発生しても、インバータ３１側からの給電が継続して行われる。

一方、コンピュータの付帯設備である空調機器等の通常負荷には、特に電源の質についての要求はない。通常負荷には、一般に、商用電源が供給される。また、通常負荷に対しては、停電時に継続して給電を行うことまでの要求はないものの、瞬間的な電圧の低下（以下、「瞬低」ともいう）が発生した際には、給電を継続したいといった要求がある。このため、通常負荷に対して電源を供給するための装置としては、常時商用給電方式の瞬低補償装置（以下、「ＳＰＳ」とも表記する）が用いられる。

図６は従来の常時商用給電方式の瞬低補償装置を示す構成図である。
常時商用給電方式のＳＰＳ３８には、入力端子３８ａ及び３８ｂに、商用電源２５及び２６が接続されている。ＳＰＳ３８の外部端子３８ｃには、蓄電池２７が接続されている。ＳＰＳ３８の出力端子３８ｄには、通常負荷３９が接続されている。

ＳＰＳ３８では、通常時、商用電源２６からの交流電力が、バイパス回路４０を介して無瞬断切換回路４１に入力される。４２はバイパス回路４０に備えられたバイパス入力遮断器である。無瞬断切換回路４１では、半導体スイッチ４３をＯＮに、半導体スイッチ４４をＯＦＦにして、商用電源２６からの交流電力を通常負荷３９に供給する。

ＳＰＳ３８では、通常時、商用電源２５からの交流電力が、交流入力遮断器４５を介してコンバータ４６に入力される。コンバータ４６は、商用電源２５からの交流電力を直流電力に変換して、蓄電池２７に供給する。これにより、蓄電池２７が充電される。

商用電源２５及び２６に瞬低が発生すると、蓄電池２７からの直流電力が、直流遮断器４７を介してインバータ４８に供給される。無瞬断切換回路４１では、半導体スイッチ４３をＯＦＦに、半導体スイッチ４４をＯＮにして、インバータ４８からの交流電力を通常負荷３９に供給する。

上記コンピュータ及び空調機器の例でも示したように、ＵＰＳ及びＳＰＳは、同じシステム内で用いられることが一般的である。例えば、製造ラインのような負荷設備では、製造ラインを制御するための電源として、その性能面からＵＰＳが用いられる。動力設備や空調設備のための電源として、運用面や経済性を考慮してＳＰＳが用いられる。

下記特許文献１には、コンピュータや周辺機器等の負荷に対して、停電補償を行う電源装置が提案されている（例えば、特許文献１の図８参照）。

特開平１１−２１５７３８号公報

特許文献１に記載のものを含め、従来の電源装置では、同じシステム内でＵＰＳ及びＳＰＳの双方の機能を用いる際に、構成が複雑化及び大型化し、高価になるといった問題があった。例えば、特許文献１に記載のものでは、コンピュータ機器等の重要負荷に必要な容量と空調機器等の通常負荷に対する容量との双方を考慮して、インバータの容量を設定しなければならない。このため、インバータが大型化し、システムが高価になるといった問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、同じシステム内でＵＰＳ及びＳＰＳの双方の機能を用いる場合であっても、インバータの容量を小さく設定でき、装置を小型化及び安価にすることができる無停電電源システムを提供することである。

この発明に係る無停電電源システムは、直流入力を交流に変換して出力するインバータと、商用電源からの交流電力を直流電力に変換し、インバータに出力するコンバータと、通常時はインバータからの交流電力を重要負荷に供給し、インバータ又はコンバータに所定の異常が発生すると、商用電源からの交流電力を重要負荷に供給する第１無瞬断切換回路と、商用電源の瞬低及び停電を検出する検出回路と、検出回路によって商用電源の瞬低が検出されると、インバータに直流電力を供給するエネルギー蓄積部と、通常時は商用電源からの交流電力を通常負荷に供給し、検出回路によって商用電源の瞬低が検出されると、インバータからの交流電力を通常負荷に供給する第２無瞬断切換回路と、を備え、インバータは、検出回路によって商用電源の瞬低が検出されると、過負荷耐量の領域を用いて、重要負荷及び通常負荷への電源供給を行い、第２無瞬断切換回路は、検出回路によって商用電源の停電が検出されると、通常負荷への電力供給を停止させるものである。

この発明に係る無停電電源システムであれば、同じシステム内でＵＰＳ及びＳＰＳの双方の機能を用いる場合であっても、インバータの容量を小さく設定でき、装置を小型化及び安価にすることができる。

この発明の実施の形態１における無停電電源システムを示す構成図である。 図１に示す無停電電源システムの動作を説明するための図である。 図１に示す無停電電源システムの動作を説明するための図である。 図１に示す無停電電源システムの動作を説明するための図である。 従来の常時インバータ給電方式の無停電電源装置を示す構成図である。 従来の常時商用給電方式の瞬低補償装置を示す構成図である。

添付の図面を参照して、本発明を詳細に説明する。各図において、同一又は相当する部分には、同一の符号を付している。重複する説明については、適宜簡略化或いは省略している。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における無停電電源システムを示す構成図である。
図１において、１は交流入力用の商用電源、２はバイパス入力用の商用電源である。商用電源１は、電源装置３の入力端子３ａに接続されている。商用電源２は、電源装置３の入力端子３ｂに接続されている。４はエネルギー蓄積部からなる蓄電池である。蓄電池４は、電源装置３の外部端子３ｃに接続されている。

５は重要負荷、６は通常負荷である。重要負荷５は、常時安定した質の良い電源を要求する。重要負荷５は、停電発生時も給電の継続を要求する。重要負荷５は、電源装置３の出力端子３ｄに接続されている。
通常負荷６は、特に電源の質については要求しないが、瞬低発生時には、給電の継続を要求する。通常負荷６は、電源装置３の出力端子３ｅに接続されている。

重要負荷５と通常負荷６とは、同一システム内に備えられている。例えば、コンピュータ設備においては、コンピュータ機器が重要負荷５であり、コンピュータ室を空調するための空調機器が通常負荷６である。製造ラインにおいては、製造装置の制御用機器が重要負荷５であり、動力装置や空調設備等が通常負荷６である。

電源装置３は、インバータ７、コンバータ８、交流入力遮断器９、直流遮断器１０、無瞬断切換回路１１、バイパス入力遮断器１２、無瞬断切換回路１３、バイパス入力遮断器１４、検出回路１５を備えている。

インバータ７は、直流入力を交流に変換して出力する。
コンバータ８は、入力端子３ａを介して商用電源１から供給される交流電力を、直流電力に変換してインバータ７に出力する。インバータ７は、コンバータ８から直流電力が供給されると、その直流電力を交流電力に変換して、無瞬断切換回路１１及び１３に出力する。

交流入力遮断器９は、入力端子３ａとコンバータ８との間に接続されている。交流入力遮断器９が閉じていれば、商用電源１からの交流電力は、コンバータ８に入力される。交流入力遮断器９が開放されると、商用電源１からコンバータ８に対して交流電力は供給されない。

直流遮断器１０は、外部端子３ｃとインバータ７との間に接続されている。直流遮断器１０が閉じていれば、蓄電池４からの直流電力は、外部端子３ｃを介してインバータ７に入力される。インバータ７は、蓄電池４から直流電力が供給されると、その直流電力を交流電力に変換して、無瞬断切換回路１１及び１３に出力する。直流遮断器１０が開放されると、蓄電池４からインバータ７に対して直流電力は供給されない。

無瞬断切換回路１１は、インバータ７からの交流電力と商用電源２からの交流電力とを選択的に重要負荷５に対して出力する。無瞬断切換回路１１には、切換用のコンタクタ１６と半導体スイッチ１７とが備えられている。コンタクタ１６は、インバータ７と出力端子３ｄとの間に接続されている。インバータ７から出力された交流電力は、コンタクタ１６を介して重要負荷５に供給される。

半導体スイッチ１７は、バイパス回路１８と出力端子３ｄとの間に接続されている。バイパス入力遮断器１２は、バイパス回路１８に備えられている。即ち、バイパス入力遮断器１２は、入力端子３ｂと半導体スイッチ１７との間に接続されている。バイパス入力遮断器１２が閉じていれば、商用電源２からの交流電力は、バイパス回路１８を介して半導体スイッチ１７に入力される。バイパス入力遮断器１２が開放されると、商用電源２から半導体スイッチ１７に対して交流電力は供給されない。

無瞬断切換回路１３は、インバータ７からの交流電力と商用電源２からの交流電力とを選択的に通常負荷６に対して出力する。無瞬断切換回路１３には、切換用の半導体スイッチ１９及び２０が備えられている。半導体スイッチ１９は、インバータ７と出力端子３ｅとの間に接続されている。インバータ７から出力された交流電力は、半導体スイッチ１９を介して通常負荷６に供給される。

半導体スイッチ２０は、バイパス回路２１と出力端子３ｅとの間に接続されている。バイパス入力遮断器１４は、バイパス回路２１に備えられている。即ち、バイパス入力遮断器１４は、入力端子３ｂと半導体スイッチ２０との間に接続されている。バイパス入力遮断器１４が閉じていれば、商用電源２からの交流電力は、バイパス回路２１を介して半導体スイッチ２０に入力される。バイパス入力遮断器１４が開放されると、商用電源２から半導体スイッチ２０に対して交流電力は供給されない。

検出回路１５（検出手段）は、商用電源１及び２の瞬低を検出する機能を有している。検出回路１５は、例えば、入力端子３ａに入力される交流電圧（交流入力１ａ）が所定値に達していない場合に、商用電源１の瞬低を検出する。また、検出回路１５は、商用電源１から供給される交流電圧が所定値に満たない状態（例えば、商用電源１の瞬低が検出される状態）が所定時間継続すると、商用電源１の停電を検出する。

同様に、検出回路１５は、入力端子３ｂに入力される交流電圧（交流入力２ａ）が所定値に達していない場合に、商用電源２の瞬低を検出する。検出回路１５は、商用電源２から供給される交流電圧が所定値に満たない状態（例えば、商用電源２の瞬低が検出される状態）が所定時間継続すると、商用電源２の停電を検出する。

上記構成を有する電源装置３において、インバータ７には、重要負荷５に対して安定した電源供給を行うために必要な容量が備えられている。しかし、インバータ７の容量設定に際して、通常負荷６に安定した電源供給を行うための容量は考慮されていない。例えば、インバータ７は、重要負荷５に必要な容量のみに基づいて、容量設定がなされている。このため、インバータ７の容量は、重要負荷５の継続動作に必要な容量と通常負荷６の継続動作に必要な容量とを合わせた容量よりも小さい。

図２乃至図４は、図１に示す無停電電源システムの動作を説明するための図である。以下に、図２乃至図４も参照し、上記構成を有する無停電電源システムの動作について、具体的に説明する。

図２は、商用電源１及び電源装置３が正常に動作している時の給電経路を示している。
商用電源１及び電源装置３が正常に動作している通常時、商用電源１からの交流入力１ａは、交流入力遮断器９を介してコンバータ８に入力される。コンバータ８は、商用電源１からの交流電力を直流電力に変換して、インバータ７に出力する。

インバータ７は、コンバータ８からの直流電力を交流電力に逆変換して、無瞬断切換回路１１に出力する。無瞬断切換回路１１は、インバータ７からの交流電力を、コンタクタ１６を介して重要負荷５に供給する。通常時、無瞬断切換回路１１は、コンタクタ１６をＯＮに、半導体スイッチ１７をＯＦＦにする。このため、重要負荷５に対しては、コンバータ８及びインバータ７を介した質の高い電源（交流出力２２）を供給することができる。

商用電源２からの交流入力２ａは、バイパス回路２１を介して無瞬断切換回路１３に入力される。無瞬断切換回路１３は、商用電源２からの交流電力を、半導体スイッチ２０を介して通常負荷６に供給する。通常時、無瞬断切換回路１３は、半導体スイッチ２０をＯＮに、半導体スイッチ１９をＯＦＦにする。このため、通常負荷６に対しては、コンバータ８及びインバータ７を介していない高効率な電源（交流出力２３）を供給することができる。

上記制御が行われている通常時にコンバータ８或いはインバータ７に故障（所定の異常）が発生すると、バイパス入力遮断器１２が投入されてバイパス回路１８が構成される。無瞬断切換回路１１は、交流出力２２の出力元を、コンタクタ１６から半導体スイッチ１７に無瞬断で切り換え、商用電源２からの交流電力を重要負荷５に供給する。即ち、コンバータ８等に故障が発生すると、無瞬断切換回路１１は、コンタクタ１６をＯＦＦに、半導体スイッチ１７をＯＮにする。無瞬断切換回路１１では、この切り換えを無瞬断で行う。このため、無瞬断切換回路１１には、バイパス回路１８側の切換手段として、半導体スイッチ１７が採用されている。

その後、コンバータ８等が正常化すると、無瞬断切換回路１１は、交流出力２２の出力元を、半導体スイッチ１７からコンタクタ１６に切り換える。重要負荷５に対する供給電源をバイパス回路１８側からインバータ７側に戻す場合は、インバータ７がバイパス回路１８側の電源と同期を取りながらラップするように切り換えが行われる。このため、無瞬断切換回路１１のインバータ７側に、高速でオンオフできる半導体スイッチを備える必要はない。無瞬断切換回路１１には、インバータ７側の切換手段として、コンタクタ１６が採用されている。

図３は、商用電源１及び２に瞬低が発生した時の給電経路を示している。
商用電源１及び２から供給される交流電圧が所定値まで低下すると、検出回路１５によって、商用電源１及び２の瞬低が検出される。検出回路１５によって商用電源１及び２の瞬低が検出されると、コンバータ８が停止され、蓄電池４からの直流電力がインバータ７に供給される。重要負荷５に対しては、通常時もインバータ７側から給電されている。このため、無瞬断切換回路１１では、検出回路１５によって商用電源１及び２の瞬低が検出されても、特に切換動作を行わない。重要負荷５に対しては、商用電源１及び２の瞬低が発生した後も、インバータ７側からの給電が継続して行われる。

一方、無瞬断切換回路１３は、検出回路１５によって商用電源１及び２の瞬低が検出されると、交流出力２３の出力元を、半導体スイッチ２０から半導体スイッチ１９に切り換え、インバータ７からの交流電力を通常負荷６に供給する。即ち、無瞬断切換回路１３は、商用電源１及び２から供給される交流電圧が所定値以下になると、半導体スイッチ２０をＯＦＦにして、半導体スイッチ１９をＯＮにする。このため、商用電源１及び２に瞬低が発生すると、蓄電池４からの直流電力をインバータ７において変換した交流電力が、半導体スイッチ１９を介して通常負荷６に供給される。

その後、商用電源１及び２から供給される交流電圧が所定値を超えて正常な状態に戻る（瞬低（電圧低下）の状態が解消される）と、インバータ７への電力供給元が、蓄電池４から商用電源１に戻る。即ち、無瞬断切換回路１３は、半導体スイッチ２０をＯＮに、半導体スイッチ１９をＯＦＦにして、交流出力２３の出力元を、半導体スイッチ１９から半導体スイッチ２０に切り換える。

無瞬断切換回路１３は、瞬低発生時及び瞬低発生後の復電時に、交流出力２３の出力元の切り換えを短時間で行わなければならない。このため、無瞬断切換回路１３には、インバータ７側及びバイパス回路２１側の切換手段として、半導体スイッチ１９及び２０が採用されている。

検出回路１５は、商用電源１及び２の瞬低を検出すると、その状態（商用電源１及び２からの交流電圧が所定値に満たない状態）の継続時間を計測する。検出回路１５は、上記電圧低下の状態が所定時間（例えば、１秒）以上継続した場合に、商用電源１及び２の停電を検出する。

図４は、商用電源１及び２に停電が発生した時の給電経路を示している。
商用電源１及び２の電圧低下が所定時間以上継続し、検出回路１５によって停電が検出されると、無瞬断切換回路１３は、通常負荷６への電力供給を停止させる。即ち、無瞬断切換回路１３は、半導体スイッチ１９をＯＮからＯＦＦに切り換える。

このように、通常負荷６に対しては、瞬低発生時のみの給電補償を行い、停電時には給電を停止させる。上述したように、商用電源１及び２に瞬低が発生すると、重要負荷５及び通常負荷６の双方に、インバータ７を介した交流電力が供給される。しかし、インバータ７には、重要負荷５と通常負荷６との双方を安定して継続動作させるための容量は備えられていない。このため、インバータ７は、検出回路１５によって瞬低が検出されると、検出回路１５によって停電が検出されるまでの間、過負荷耐量の領域を用いて、重要負荷５及び通常負荷６への電源供給を行う。

インバータ７には、例えば、１２５％で１０分、或いは１５０％で１分といった過負荷耐量が設定されている。インバータ７の容量は、基本的に、重要負荷５を継続動作させるために必要な容量のみに基づいて設定されている。このため、通常負荷６に関しては、瞬低発生時に、インバータ７の過負荷耐量の領域を用いて動作を行うことができるような容量設定がなされている。

瞬低発生後の通常負荷６に対する給電は、インバータ７の過負荷耐量の領域を用いるため、継続して行うことができない。このため、商用電源１及び２の電圧低下が継続する場合は、通常負荷６に対する給電を停止させて、重要負荷５に対する給電のみを継続させる。

無瞬断切換回路１１では、検出回路１５によって商用電源１及び２の停電が検出されても、特に切換動作を行わない。無瞬断切換回路１１は、検出回路１５によって商用電源１及び２の停電が検出された後も、蓄電池４の電圧がインバータ７の許容電圧以下に低下するまで、コンタクタ１６を介して、インバータ７からの交流電力を重要負荷５に供給する。

上記構成を有する無停電電源システムであれば、変換器（コンバータ８及びインバータ７）の容量を大きくすることなく、従来のＵＰＳ単体の機能、及び、ＳＰＳ単体の機能の双方を１つの電源装置３で実現することができる。また、電源装置３では、従来のＵＰＳ及びＳＰＳの要素を共通化することができる。このため、装置を小型化することができ、且つ、装置を安価に構成することが可能となる。

１、２、２５、２６ 商用電源
１ａ、２ａ 交流入力
３ 電源装置
３ａ、３ｂ 入力端子
３ｃ 外部端子
３ｄ、３ｅ 出力端子
４、２７ 蓄電池
５、２８ 重要負荷
６、３９ 通常負荷
７、３１、４８ インバータ
８、３０、４６ コンバータ
９、２９、４５ 交流入力遮断器
１０、３７、４７ 直流遮断器
１１、１３、３２、４１ 無瞬断切換回路
１２、１４、３６、４２ バイパス入力遮断器
１５ 検出回路
１６、３４ コンタクタ
１７、１９、２０、３３、４３、４４ 半導体スイッチ
１８、２１、３５、４０ バイパス回路
２２、２３ 交流出力
２４ ＵＰＳ
２４ａ、２４ｂ 入力端子
２４ｃ 外部端子
２４ｄ 出力端子
３８ ＳＰＳ
３８ａ、３８ｂ 入力端子
３８ｃ 外部端子
３８ｄ 出力端子

Claims (4)

1. 直流入力を交流に変換して出力するインバータと、
   商用電源からの交流電力を直流電力に変換し、前記インバータに出力するコンバータと、
   通常時は前記インバータからの交流電力を重要負荷に供給し、前記インバータ又は前記コンバータに所定の異常が発生すると、商用電源からの交流電力を前記重要負荷に供給する第１無瞬断切換回路と、
   商用電源の瞬低及び停電を検出する検出回路と、
   前記検出回路によって商用電源の瞬低が検出されると、前記インバータに直流電力を供給するエネルギー蓄積部と、
   通常時は商用電源からの交流電力を通常負荷に供給し、前記検出回路によって商用電源の瞬低が検出されると、前記インバータからの交流電力を前記通常負荷に供給する第２無瞬断切換回路と、
   を備え、
   前記インバータは、前記検出回路によって商用電源の瞬低が検出されると、過負荷耐量の領域を用いて、前記重要負荷及び前記通常負荷への電源供給を行い、
   前記第２無瞬断切換回路は、前記検出回路によって商用電源の停電が検出されると、前記通常負荷への電力供給を停止させる
   無停電電源システム。
2. 前記インバータは、その容量が、前記重要負荷の継続動作に必要な容量と前記通常負荷の継続動作に必要な容量とを合わせた容量よりも小さい請求項１に記載の無停電電源システム。
3. 前記検出回路は、商用電源の瞬低を検出するための状態が所定時間継続すると、商用電源の停電を検出する請求項１又は請求項２に記載の無停電電源システム。
4. 前記検出回路は、商用電源から供給される交流電圧が所定値に満たない状態が所定時間継続すると、商用電源の停電を検出する請求項１又は請求項２に記載の無停電電源システム。

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