(57)【要約】【課題】系統側開放の事故にも対応できると共に、インバータの直流入力端電圧が低下するのを防止する瞬時電圧低下対策装置を得る。【解決手段】系統電源にスイッチを介して、瞬時電圧低下から守られるべき負荷機器が接続される配電系統、系統電源と上記スイッチ間の配電系統に交流入力端が接続されたダイオード整流回路、このダイオード整流回路の直流出力端側に接続されるエネルギー供給用コンデンサ、及び、直流入力端が上記エネルギー供給用コンデンサに昇圧チョッパ回路を介して接続され、交流出力端が上記スイッチと負荷機器間に接続されたインバータを備えた。【選択図】　　　　図１
2004015962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源にスイッチを介して、瞬時電圧低下から守られるべき負荷機器が接続される配電系統、
系統電源と上記スイッチ間の配電系統に交流入力端が接続されたダイオード整流回路、
このダイオード整流回路の直流出力端側に接続されるエネルギー供給用コンデンサ、及び、
直流入力端が上記エネルギー供給用コンデンサに昇圧チョッパ回路を介して接続され、交流出力端が上記スイッチと負荷機器間に接続されたインバータ
を備えた瞬時電圧低下対策装置。
【請求項２】
系統電源にスイッチを介して、瞬時電圧低下から守られるべき負荷機器が接続される配電系統、
系統電源と上記スイッチ間の配電系統に交流入力端が接続されたダイオード整流回路、
このダイオード整流回路の直流出力端に降圧チョッパ回路を介して接続されたエネルギー供給用コンデンサ、及び、
直流入力端が上記エネルギー供給用コンデンサに昇圧チョッパ回路を介して接続され、交流出力端が上記スイッチと負荷機器間に接続されたインバータ
を備えた瞬時電圧低下対策装置。
【請求項３】
上記スイッチは機械式スイッチと半導体スイッチとのハイブリッド解列スイッチであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の瞬時電圧低下対策装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電源電圧の一時的な低下（例えば、おおむね１秒間以内）から重要な負荷機器を守り、継続的に負荷機器を正常動作させるような瞬時電圧低下対策装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は従来の無停電電源装置（　Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙとも呼ばれる）を示す回路図である。図において、１はその交流入力端が配電系統（交流入力端７）に接続された整流装置、２は交流出力端が負荷機器（交流出力端８）に接続されたインバータ、３は電源電圧の瞬時電圧低下および停電中に負荷へエネルギーを供給するための蓄電池である。整流装置１，インバータ２および蓄電池３の二個の各直流端子はそれぞれ互いに接続されている。４は交流入力端７と負荷機器が接続される交流出力端８との間で、整流装置１およびインバータ２をバイパスして接続するためのスイッチである。
【０００３】
次に動作について説明する。図２において、交流入力端７に接続されている整流装置１は常時、蓄電池３を充電して、瞬時電圧低下や停電など電源電圧の異常に備えている。スイッチ４が平常時開放して用いられる方式では、整流装置１は蓄電池３を充電すると同時に、インバータ２を介して交流出力端８に接続される負荷機器へも電力を供給している。この方式は、常時インバータ給電方式と呼ばれる。一方、スイッチ４が平常時閉路して用いられる方式では、整流装置１は蓄電池３を充電するのみである。この方式では負荷機器へは平常時はスイッチ４を通して給電されており、常時商用給電方式と呼ばれる。いずれの方式においても電源電圧に瞬時電圧低下や停電などの異常が発生した場合、すみやかに蓄電池３からインバータ２を通して負荷機器へ給電され、負荷機器が正常な動作を継続するよう保護を行う。
【０００４】
図３は従来の瞬時電圧低下対策装置を示す回路図である。図において、１はその交流入力端を配電系統（交流入力端７）に接続した整流装置、２はその交流出力端が直列変圧器５を介して配電系統（交流出力端８）に接続されたインバータ、４は交流入力端７と負荷機器が接続される交流出力端８との間で整流装置１およびインバータ２をバイパスして接続するスイッチである。６は瞬時電圧低下の補償を行っている間に必要なエネルギーを供給するためのコンデンサである。整流装置１，インバータ２およびコンデンサ６の二個の各直流端子はそれぞれ互いに接続されている。
【０００５】
図３において、整流装置１は常時、コンデンサ６を充電して瞬時電圧低下に備えている。電源電圧に瞬時電圧低下が発生すると低下した分の電圧をインバータ２により発生させ、負荷の電圧を一定に保ち、負荷機器が正常な動作を継続するよう保護を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の無停電電源装置（図２）は以上のように構成されているので、蓄電池３が必要であり、蓄電池３の交換などの定期的なメンテナンスが必要であった。また、平常時（待機時）の損失に関しては、常時インバータ給電方式では整流装置１とインバータ２の損失、常時商用給電方式ではバイパススイッチ４の損失がある。
【０００７】
従来の瞬時電圧低下対策装置（図３）は直列機器であるので、系統側開放の事故の場合には対応できない。また、平常時（待機時）の損失に関してはバイパススイッチの損失がある。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、系統側開放の事故にも対応できると共に、インバータの直流入力端電圧が低下するのを防止する瞬時電圧低下対策装置を得ることを目的とする。
また、瞬時電圧低下の場合、ダイオード整流回路および降圧チョッパ回路を通してエネルギー供給用コンデンサを充電させることができる瞬時電圧低下対策装置を得ることを目的とする。さらにまた、平常時の損失を低減する瞬時電圧低下対策装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる瞬時電圧低下対策装置は、系統電源にスイッチを介して、瞬時電圧低下から守られるべき負荷機器が接続される配電系統、系統電源と上記スイッチ間の配電系統に交流入力端が接続されたダイオード整流回路、このダイオード整流回路の直流出力端側に接続されるエネルギー供給用コンデンサ、及び、直流入力端が上記エネルギー供給用コンデンサに昇圧チョッパ回路を介して接続され、交流出力端が上記スイッチと負荷機器間に接続されたインバータを備えたものである。そのため、瞬時電圧低下補償を行って、負荷機器への電力供給中に、エネルギー供給用コンデンサの放電にともなう電圧低下が、インバータの入力電圧に及ばないように、昇圧チョッパ回路を用いて電圧を昇圧する。
【００１０】
また、系統電源にスイッチを介して、瞬時電圧低下から守られるべき負荷機器が接続される配電系統、系統電源と上記スイッチ間の配電系統に交流入力端が接続されたダイオード整流回路、このダイオード整流回路の直流出力端に降圧チョッパ回路を介して接続されたエネルギー供給用コンデンサ、及び、直流入力端が上記エネルギー供給用コンデンサに昇圧チョッパ回路を介して接続され、交流出力端が上記スイッチと負荷機器間に接続されたインバータを備えたものである。そのため、上述の昇圧チョッパ回路を用いて電圧を昇圧させることに加えて、系統側に電圧が残っている場合は、降圧チョッパ回路の助けにより瞬時電圧低下の補償時にも系統の電圧でエネルギー供給用コンデンサを充電する。
【００１１】
さらにまた、上記スイッチは機械式スイッチと半導体スイッチとのハイブリッド解列スイッチである。そのため、平常時は機械スイッチを導通させて、平常時の損失を低減する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の瞬時電圧低下対策装置を示す回路図である。図において、１７は三相系統電源であり、図は三相系統を示している。１８は瞬時電圧低下から守るべき負荷機器で、ハイブリッド形高速解列スイッチ１６を介して配電系統の系統電源１７に接続されている。１１は三相ブリッジ構成のインバータで、その交流出力端がハイブリッド形高速解列スイッチ１６を介して配電系統の系統電源１７に接続されると共に、負荷機器１８に接続されている。つまり、インバータ１１の交流出力端はハイブリッド形高速解列スイッチ１６と負荷機器１８間の配電系統に接続されている。１２はこのインバータ１１の二個の直流入力端に接続された昇圧チョッパ回路である。１３は昇圧チョッパ回路１２に接続されたエネルギー供給用コンデンサで、瞬時電圧低下補償中のエネルギーを供給する。
【００１３】
１４はその交流入力端が系統電源１７とハイブリッド形高速解列スイッチ１６との間の配電系統に接続されたダイオード整流回路で、上記エネルギー供給用コンデンサ１３の初期充電および瞬時電圧低下補償中の充電を行うものである。配電系統（電力系統）側で落雷などで瞬時電圧低下しても、電圧が残っている場合にはその電圧を利用して充電する。１５はダイオード整流回路１４の直流出力端に接続され、エネルギー供給用コンデンサ１３の電圧を適正に制御するための降圧チョッパ回路である。上記ハイブリッド形高速解列スイッチ１６は瞬時電圧低下補償時に配電系統側と負荷側とを切り離すもので、瞬時電圧低下時に応動する高速機械式スイッチと、この高速機械式スイッチを遮断したときの短期間作動する半導体スイッチで構成されており、［　例えば、三菱電機株式会社製の三菱サイリスタスイッチ（１９９７年５月作成カタログ）として　］市販されている。なお、上記昇圧チョッパ回路及び降圧チョッパ回路は、公知のものであり、例えば、表題：パワーエレクトロニクス　著作者：矢野昌雄，打田良平　発行所：丸善株式会社　平成１２年１１月３０日発行の８７〜９５頁に記載されている。
【００１４】
次に動作について説明する。平常時はハイブリッド形高速解列スイッチ１６の機械式スイッチが閉じられており、負荷機器１８へ系統電源１７から電力が供給されており、常時商用給電方式となっている。このとき、負荷機器１８への電力供給はハイブリッド高速解列スイッチ１６の機械式スイッチを用いているので、導通損失が小さく平常時の運転ロスは極めて小さい。系統が平常時には、エネルギー供給用コンデンサ１３の損失をダイオード整流器１４より供給している。インバータ１１は系統が平常時には全てのスイッチをターンオフさせた状態で待機している。
【００１５】
系統電源１７に瞬時電圧低下あるいは停電が発生すると、ハイブリッド高速解列スイッチ１６では、系統の電圧低下を検出し、即座に機械式スイッチをターンオフさせると同時に、半導体スイッチ（サイリスタスイッチ）へ転流させ、インバータ１１をターンオンさせる。上記サイリスタスイッチへの転流確認後サイリスタスイッチをゲート遮断し、インバータ１１からの給電に切り替える。なお、電圧低下は三相瞬時電圧の二乗の和の平方根によって検出する。
この機械式スイッチは１ミリ秒以下で遮断できる高速なものを用いるので、負荷機器１８への影響はほとんど無い。また、半導体スイッチはインバータ１１の系統電源１７からの解列および並列がスムースに出来るように接続されているもので、１〜２ミリ秒程度の短時間しか通電しないので冷却装置は簡単なもので良い。
【００１６】
インバータ１１が起動されて、負荷機器１８への給電が開始されると、エネルギー源としてはエネルギー供給用コンデンサ１３が用いられるが、エネルギー供給用コンデンサ１３は放電に伴って端子電圧が低下する。この影響がインバータ１１へ及ばないように昇圧チョッパ回路１２でインバータ１１の直流入力端電圧を一定に保つ。このように、昇圧チョッパ回路１２はエネルギー供給用コンデンサ１３の放電に伴ってインバータ１１の直流入力端電圧が低下するのを防止するために設けられている。これにより、インバータ１１又はコンデンサ１３の容量増を抑制することができる。昇圧チョッパ回路１２ではインバータ１１の直流入力端電圧を一定に保つように制御すると同時に、昇圧チョッパ回路１２のインダクタ１２１を流れる電流に制限を設けている。制限を設けるのは、昇圧チョッパ回路１２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）の通電電流が定格値以内に収まるように制御してスイッチング素子の過電流保護を行っている。
さらに、インバータ１１では、直流入力端電圧が変化しても交流出力端電圧（負荷電圧）を一定に保つように制御を行う。
【００１７】
瞬時電圧低下の場合、系統に電圧が残っているので、ダイオード整流回路１４および降圧チョッパ回路１５を通してエネルギー供給用コンデンサ１３を充電させすることができる。これにより、エネルギー供給用コンデンサの容量を低減することが出来る。降圧チョッパ回路１５では、瞬時電圧低下時に残留する交流電源の電圧を有効に活用して補償時間を延長するように動作する。エネルギー供給用コンデンサ１３の電圧の低下を抑制し、同時に降圧チョッパ回路１５のインダクタ１５１を流れる電流に制限を設けるよう制御を行う。制限を設けるのは、降圧チョッパ回路１５のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）の通電電流が定格値以内に収まるように制御してスイッチング素子の過電流保護を行っている。
【００１８】
この瞬時電圧低下対策装置は並列型であるので、系統電源側が開放の事故時にも、負荷機器１８を事故から保護して負荷機器１８の正常動作を継続させることが可能である。
【００１９】
系統側が開放の事故時から系統電源１７が復電後は、再度ダイオード整流回路１４を通して充電が行われるので、ハイブリッド高速解列スイッチ１６の再投入に時間的余裕がある。詳しく述べると、商用電源の復電を検出後は、インバータ１１から系統電源１７側への横流が発生しないように、切り換えが可能領域か否かを判断しつつ相別に切り換えを行う。すなわち、インバータ１１の交流出力端電圧が系統電圧よりも高くかつインバータ１１から出力される電流が負（インバータ１１から系統側および負荷側へ向う向きを正とする）であれば、横流は減少する方向であるので、ハイブリッド高速解列スイッチ１６のサイリスタスイッチをターンオンしても良い。逆に交流出力端電圧が系統電圧より低い場合は、インバータ１１から出力される電流が正であることが横流の減少する条件であり、このタイミングでハイブリッド高速解列スイッチ１６のサイリスタをターンオンできる。全ての相のサイリスタがターンオンした後に、インバータ１１を停止させ、その後サイリスタのゲート遮断と機械式スイッチのターンオンを行う。
【００２０】
また、系統電源側が平常時にはインバータ１１を適切に制御することにより、無効電力補償装置あるいは高調波補償を行うアクティブフィルタとして動作させることが可能である。
【００２１】
以上のように、この実施の形態１の瞬時電圧低下対策装置は、次にまとめる種々の効果を有する。
▲１▼　直流側に蓄電池を有さないので、メンテナンスフリー化に役立つ。
▲２▼　回路の低損失化のため、「常時商用給電方式」とすることができる。負荷機器１８への電力供給はハイブリッド高速解列スイッチの機械式スイッチを用いているので、導通損失が小さく平常時の運転ロスは極めて小さい。
▲３▼　昇圧チョッパ回路１２はエネルギー供給用コンデンサ１３の放電に伴ってインバータ１１の直流入力端電圧が低下するのを防止する。これにより、インバータ１１又はコンデンサ１３の容量増を抑制することができる。
▲４▼　瞬時電圧低下の場合、系統に電圧が残っているので、ダイオード整流回路１４および降圧チョッパ回路１５を通してエネルギー供給用コンデンサ１３を充電させることができる。これにより、補償時間を延長でき、エネルギー供給用コンデンサの容量を低減させることが出来る。
▲５▼　この瞬時電圧低下対策装置は並列型であるので、系統電源側が開放の事故時にも、負荷機器１８を事故から保護して負荷機器１８の正常動作を継続させることが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の瞬時電圧低下対策装置によれば、系統電源にスイッチを介して、瞬時電圧低下から守られるべき負荷機器が接続される配電系統、系統電源と上記スイッチ間の配電系統に交流入力端が接続されたダイオード整流回路、このダイオード整流回路の直流出力端側に接続されるエネルギー供給用コンデンサ、及び、直流入力端が上記エネルギー供給用コンデンサに昇圧チョッパ回路を介して接続され、交流出力端が上記スイッチと負荷機器間に接続されたインバータを備えたものである。そのため、系統電源側開放の事故にも負荷機器を事故から保護して負荷機器に正常動作を継続させることができると共に、瞬時電圧低下時に負荷機器に補償を行う電力供給中に、エネルギー供給用コンデンサの放電にともなう電圧低下が、インバータの入力電圧に及ばないように、昇圧チョッパ回路を用いて電圧を昇圧することができる。
【００２３】
また、系統電源にスイッチを介して、瞬時電圧低下から守られるべき負荷機器が接続される配電系統、系統電源と上記スイッチ間の配電系統に交流入力端が接続されたダイオード整流回路、このダイオード整流回路の直流出力端に降圧チョッパ回路を介して接続されたエネルギー供給用コンデンサ、及び、直流入力端が上記エネルギー供給用コンデンサに昇圧チョッパ回路を介して接続され、交流出力端が上記スイッチと負荷機器間に接続されたインバータを備えたものである。そのため、系統電源側開放の事故にも負荷機器を事故から保護して負荷機器に正常動作を継続させることができると共に、瞬時電圧低下時に負荷機器に補償を行う電力供給中に、エネルギー供給用コンデンサの放電にともなう電圧低下が、インバータの入力電圧に及ばないように、昇圧チョッパ回路を用いて電圧を昇圧することができることに加えて、瞬時電圧低下の場合、瞬時電圧低下の補償時にも系統の電圧で、ダイオード整流回路および降圧チョッパ回路を通してエネルギー供給用コンデンサを充電させることができる。これにより、補償時間を延長させたり、エネルギー供給用コンデンサの容量を低減させたりすることができる。
【００２４】
さらにまた、上記スイッチは機械式スイッチと半導体スイッチとのハイブリッド解列スイッチである。そのため、平常時は機械スイッチを導通させて、平常時の損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の瞬時電圧低下対策装置を示す回路図である。
【図２】従来の無停電電源装置を示す回路図である。
【図３】従来の瞬時電圧低下対策装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１　整流装置　　　　　　　　　　　　２　インバータ
３　蓄電池　　　　　　　　　　　　　４　スイッチ
５　直列変圧器　　　　　　　　　　　６　コンデンサ
７　交流入力端　　　　　　　　　　　８　交流出力端
１１　インバータ　　　　　　　　　　１２　昇圧チョッパ回路
１３　エネルギー供給用コンデンサ　　１４　ダイオード整流回路
１５　降圧チョッパ回路　　　　　　　１６　ハイブリッド高速解列スイッチ
１７　系統電源　　　　　　　　　　　１８　負荷機器。
【図１】
2004015962.tif 000003
【図２】
2004015962.tif 000004
【図３】
2004015962.tif 000005