JP7100519B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、無停電電源装置の定格電流を増加させるために複数の無停電電源装置を並列接続する際に各無停電電源装置に流れる電流を同じにするための回路方式に関する。

従来の無停電電源装置（以降「ＵＰＳ」と記す）の定格電流を増加する方法として、スイッチング素子を並列接続する方法以外に複数のＵＰＳを並列接続する方法がある。なお、以降、１つのＵＰＳを構成するために並列接続される複数のＵＰＳそれぞれをＵＰＳモジュールと呼ぶ。
複数のＵＰＳモジュールを並列接続する方式の中でも以下（１）、（２）の方式がある。

（１）並列制御無
各ＵＰＳモジュールに実装するスイッチング素子のオン抵抗、オン電圧、スイッチング時間を選別し、特性を揃え、また、スイッチング素子へ送信するオン／オフ信号の遅延時間も揃える。特性が揃った交流フィルタリアクトルなどの受動素子を追加し、各ＵＰＳに流れる電流を同じにする方式。

（２）並列制御有
各ＵＰＳモジュールの電流を検出し、各ＵＰＳモジュールの電流が同じになるようにスイッチング素子のオン／オフの幅を制御、調整する方式。

上記並列接続方式で並列制御有の方式の先行技術として、特許文献１がある。特許文献１では、複数のインバータの入力電圧を均一にすることで、複数のインバータの出力電圧のばらつきを抑制する場合、ＵＰＳごとに、コンバータからインバータに供給される直流電圧を制御するために、直流電圧を検出する電圧検出器が必要となり、無停電電源システムの大型化を招くという課題に対して、各々のＵＰＳモジュールは、コンバータ、インバータ、制御回路と、コンバータからインバータに直流電圧を供給するための直流母線を含み、直流母線に接続される、１つの電圧検出器を備える構成を有している。

特開２０１８－７３７７号公報

特許文献１は、並列接続方式で並列制御有の方式であり、電圧検出器を各々のＵＰＳモジュールに持つ必要がないが、制御回路は各々のＵＰＳモジュールに有しているので、回路の複雑化、大型化、高価という課題の解決に十分とは言えず、並列接続方式で並列制御無の方式がこれらの課題に有利である。

そこで、並列接続方式で並列制御無の方式について考察すると、前述の（１）並列制御無で説明したように、各ＵＰＳモジュールに流れる電流を同じにするためには、スイッチング素子の特性とオン/オフ信号、受動素子の特性を厳密に揃える必要がある。

近年、スイッチング素子の高性能化により高速化・低オン抵抗化し、スイッチング素子のオン/オフについては、数十nsオーダーで特性を合わせ、回路の配線長も調整する必要があり、部品の選別や回路設計を厳密にするか、並列接続された各ＵＰＳモジュールに流れる電流の差（以降「横流」と表現する）として大きな値を許容するような設計にする必要があり、コスト増加につながっている。

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、並列接続方式で並列制御無の方式において、簡単な回路構成で並列接続された各ＵＰＳモジュールに流れる横流を低減できるＵＰＳを提供することを目的とする。

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、交流電圧を直流電圧に変換する順変換器と該直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器と蓄電池を有する無停電電源装置モジュールを複数並列接続する無停電電源装置であって、無停電電源装置モジュールを直流電圧部分の正極側または負極側または両方について抵抗器を介して並列接続するように構成した。

本発明によれば、簡単な回路構成で並列接続された各ＵＰＳモジュールに流れる横流を低減できる無停電電源装置を提供できる。

実施例1におけるＵＰＳの回路ブロック図である。 図１の順変換器、逆変換器の内部回路構成図である。 実施例２におけるＵＰＳの回路ブロック図である。 実施例３におけるＵＰＳの回路ブロック図である。 図４の直流変換器の内部構成図である。 実施例４における常時商用電源方式のＵＰＳの回路ブロック図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は、本実施例におけるＵＰＳの回路ブロック図である。図１において、ＵＰＳ８１の定格電流を増加するために、複数のＵＰＳモジュール７１～７３を並列接続した構成とし、制御装置６の信号で制御している。各ＵＰＳモジュールの内部は、順変換器３、逆変換器４、蓄電池５で構成されている。順変換器３、逆変換器４については、交流端子１７と直流端子１８で並列接続されている。その各ＵＰＳモジュールの直流端子１８を接続する際に正極側抵抗器１と負極側抵抗器２が追加され直流母線７に接続されている。各ＵＰＳモジュールに送られる制御装置６の信号は同じ信号が送信され、各ＵＰＳ間で流れている電流の差を縮めるような制御は無い。

図２は、順変換器３、逆変換器４の内部構成図である。図２に示すように、順変換器３および逆変換器４は、スイッチング素子１１とそのスイッチング素子駆動回路１３、交流フィルタリアクトル１２、交流フィルタコンデンサ１４、直流平滑コンデンサ１５で構成される一般的な三相３線電力変換器の構成である。スイッチング素子１１のオン／オフの時間を調整することで、交流電圧・交流電流と直流電圧・直流電流の相互変換を行っている。

各ＵＰＳモジュール間で流れている電流は無制御であるため、回路構成や素子の特性がそろっていることで各ＵＰＳに流れている電流がほぼ同じになっている。しかし、スイッチング素子のオン／オフの遅延時間や受動素子の特性、回路の配線長の差異などにより、各ＵＰＳに流れている電流にばらつきが生じ、スイッチング素子の電流値に対して余裕をとる必要がある。

これに対して、開発段階で、回路シミュレータにより、スイッチング素子のオン/オフの遅延時間誤差、受動素子の特性の誤差、回路の配線長によるインピーダンスの差を考慮しシミュレーションすることで、電流の最大ばらつきを求めること可能である。

すなわち、このシミュレーションにおいて、各ＵＰＳモジュールの直流端子を接続する際に正極側抵抗器１と負極側抵抗器２の抵抗値を変化させることで、電流のばらつき（横流）の低減が確認されるが、抵抗器の損失が増加し、コスト増加の方向となる。スイッチング素子を流れる電流のばらつきと抵抗器の損失はトレードオフの関係にあるため、抵抗値を変化させ抵抗値の最適値を求めることになる。例えば、容量１００ＫＶＡのＵＰＳの場合は、抵抗器の値は約２０ｍΩとなる。

このように、各ＵＰＳモジュールの順変換器と逆変換器の直流電圧部分の正極側と負極側について抵抗器を介して並列接続し、その抵抗値を適切に選定することで、横流が同条件の場合、抵抗器が無い場合と比較して抵抗器がある場合の方がスイッチング素子の特性とオン／オフ信号、受動素子の特性の誤差の許容範囲を大きくすることが可能になり、部品の選別や回路設計を簡易にすることが可能になる。電流の交流成分はリアクトルのインピーダンスによって、横流が制限されるが、特に電流の直流成分は、リアクトルのインピーダンスが低いため制限できないので、本実施例の抵抗器追加で横流を抑制できる。

また、抵抗器の損失はＵＰＳ容量の約１／１０００であるため、ＵＰＳの部品コスト低減、開発期間の短縮、部品特性の経年変化に対するロバスト性の改善が可能になる。

なお、抵抗値を極端に大きくする、または、直流端子部分を並列接続しない場合、順変換器３、逆変換器４の直流端子部分の電圧に差異が生じ、交流端子に流れる電流の横流れにつながる。逆に、抵抗値を極端に小さくする、または、直流端子部分を電線などで接続した場合、直流の横流が流れることになり、結果的に交流電流も増加することになる。

また、図１では、正極側抵抗器１と負極側抵抗器２を抵抗器として明示しているが、抵抗の機能は果たす部品であれば抵抗器以外でも適用可能である。例えば、長く細い電線や、プリント基板のパターンを長く細くした部材、また、小容量のコネクタやリレーの接点の接触抵抗などの代用が可能である。例えば、長く細い電線の場合は、１平方ｍｍ断面の電線は約２０ｍΩ／ｍであるので、容量１００ＫＶＡのＵＰＳの場合は、１平方ｍｍ断面の電線１ｍを正極側抵抗器１と負極側抵抗器２の代わりに接続することで実現できる。

なお、抵抗器の挿入は、正極側または負極側の片方でもよい。また、図１では、３台のＵＰＳモジュールで構成しているが、ＵＰＳモジュールが２台以上であれば本実施例は有効である。また、図１、図２では三相３線電力変換器で記載しているが、単相電力変換器、三相４線電力変換器でも、同様な効果を得られる。

以上のように、本実施例によれば、順変換器と逆変換器の直流電圧部分を正極側と負極側に抵抗器を介して並列接続することで、並列接続された各ＵＰＳモジュールに流れる横流を低減でき、簡単な回路構成で実現できるので、コスト低減が可能なＵＰＳを提供することができる。

実施例１では直流側に接続される正極側抵抗器１と負極側抵抗器２が直流母線７で接続されていたが、本実施例では直流母線を使わない構成について説明する。

図３は、本実施例におけるＵＰＳの回路ブロック図である。図３において、図１と同一機能は同じ符号を付し、その説明は省略する。図３に示すように、複数のＵＰＳモジュール７１～７３は、直流母線を使わずに、隣同士の正極側を正極側抵抗器１で接続し、負極側を負極側抵抗器２で接続する。これにより、直流母線を不要とし、さらに、３台のＵＰＳを並列接続する場合は、抵抗器を６個から４個に減らすことができる。

実施例１、２では各ＵＰＳが順変換器と逆変換器の間に蓄電池を有していたが、本実施例では、蓄電池を共通化した構成について説明する。

図４は、本実施例におけるＵＰＳの回路ブロック図である。図４において、図１と同一機能は同じ符号を付し、その説明は省略する。図４に示すように、本実施例におけるＵＰＳは、蓄電池５を共通化し各ＵＰＳモジュールに直流変換器８を追加している。直流変換器８は、蓄電池５の直流電圧を順変換器３と逆変換器４の直流端子１８に供給し、無停電で負荷装置３２に交流電圧を供給することができる。また、直流変換器８は順変換器３と逆変換器４の直流端子１８の直流電圧で蓄電池５を充電するための電力を供給することも可能である。

図５は直流変換器８の内部構成図である。図５に示すように、直流変換器８は、スイッチング素子１１とその駆動回路１３、直流フィルタリアクトル１６、直流平滑コンデンサ１５で構成される。スイッチング素子１１のオン／オフの時間を調整することで、直流電圧・直流電流の変換を行っている。

本実施例でも、実施例１、２と同様に各ＵＰＳ間の順変換器３と逆変換器４と直流変換器８で横流が流れるため、正極側抵抗器１と負極側抵抗器２を適切に選定することで、横流を低減することができる。

本実施例では、直流変換器８で直流電圧を昇圧できるので、蓄電池５を選択できる範囲が広がるという利点がある。

実施例１～３は常時インバータ方式のＵＰＳであったが、本実施例では常時商用電源方式のＵＰＳについて説明する。

図６は本実施例における常時商用電源方式のＵＰＳの回路ブロック図である。図６において、図１と同一機能は同じ符号を付し、その説明は省略する。図６に示すように、常時商用電源方式ＵＰＳの構成は、ＵＰＳモジュールは逆変換器４のみであり、電磁開閉器１９と電磁開閉器２０が追加されている。

図６において、通常は電磁開閉器２０を閉とし商用電源３１からの電力を負荷装置３２へ供給し、逆変換器４は待機状態にある。商用電源３１が停電すると電磁開閉器２０を開とし電磁開閉器１９を閉として蓄電池５から逆変換器４を通して負荷装置３２へ電力が供給される。なお、電磁開閉器１９は常に閉としていてもよい。

商用電源３１正常時は横流が小さいが、停電時は実施例１～３と同様に各ＵＰＳモジュール間に横流が流れるため、横流には正極側抵抗器１と負極側抵抗器２が有効である。

本実施例では、電磁開閉器１９と２０を切り替える際に瞬断はするが、ＵＰＳモジュールは、順変換器３は不要で逆変換器４のみでよいので、回路が簡単で、安価であるという利点がある。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：正極側抵抗器、２：負極側抵抗器、３：順変換器、４：逆変換器、５：蓄電池、６：制御装置、７：直流母線、８：直流変換器、１１：スイッチング素子、１２：交流フィルタリアクトル、１３：スイッチング素子駆動回路、１４：交流フィルタコンデンサ、１５：直流平滑コンデンサ、１６：直流フィルタリアクトル、１７：交流端子、１８：直流端子、１９，２０：電磁開閉器、３１：商用電源、３２：負荷装置、７１，７２，７３：ＵＰＳモジュール、８１：無停電電源装置（ＵＰＳ）

Claims (4)

1. 交流電圧を直流電圧に変換する順変換器と該直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器と蓄電池を有する無停電電源装置モジュールを複数並列接続する無停電電源装置であって、
   前記無停電電源装置モジュールを前記直流電圧部分の正極側または負極側または両方についてコネクタやリレーの接点の接触抵抗を介して並列接続するように構成したことを特徴とする無停電電源装置。
2. 交流電圧を直流電圧に変換する順変換器と該直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器と
   を有する無停電電源装置モジュールを複数並列接続する無停電電源装置であって、
   前記無停電電源装置モジュールは前記直流電圧部分に接続される直流変換器を備え、
   複数の前記無停電電源装置モジュールの前記直流変換器に共通して接続される蓄電池を有し、該蓄電池の電圧を前記直流変換器を介して前記直流電圧部分へ供給し、
   前記無停電電源装置モジュールを前記直流電圧部分の正極側または負極側または両方についてコネクタやリレーの接点の接触抵抗を介して並列接続するように構成したことを特徴とする無停電電源装置。
3. 蓄電池と該蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器とを有する無停電電源装置モジュールを複数並列接続する無停電電源装置であって、
   前記無停電電源装置モジュールを前記直流電圧部分の正極側または負極側または両方についてコネクタやリレーの接点の接触抵抗を介して並列接続するように構成したことを特徴とする無停電電源装置。
4. 請求項３に記載の無停電電源装置において、
   前記複数並列接続された無停電電源装置モジュールの出力に第１の開閉器の１端が接続され、
   商用電源に接続される第２の開閉器の他端が前記第１の開閉器の他端に接続され、
   前記商用電源からの電力は前記第２の開閉器を閉として負荷装置へ供給され、前記蓄電池からの電力は前記第２の開閉器を開とし前記第１の開閉器を閉として前記逆変換器を介して負荷装置へ供給されることを特徴とする無停電電源装置。

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