JP4606393B2 - 瞬時電圧低下補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源から負荷に供給される交流電力の電圧が一時的に低下した場合に、代わりに負荷に交流電力を供給する瞬時電圧低下補償装置に関し、さらに詳しくは、瞬時電圧低下補償装置が備える蓄電手段を充電するための充電回路に関する。

従来より、１００Ｖ或いは２００Ｖの商用交流電源から負荷に供給される交流電力の電圧が瞬停等により短時間低下した場合に、これに代えて交流電力を負荷に供給するための瞬時電圧低下補償装置が広く利用されている。例えば特許文献１に記載の瞬時電圧低下補償装置では、昇圧トランスとダイオード整流器から成る初期充電回路と、交流／直流の相互変換を行うインバータ部とを備え、商用交流電源からの交流電力が正常に供給されている状態で、まず初期充電回路により電解コンデンサの充電電圧が或る程度に上昇するまで充電を行い、それ以降はインバータ部を動作させることで交流電力を直流に変換して電解コンデンサを定格電圧まで充電するようにしている。

上記のような瞬時電圧低下補償装置にあって、電解コンデンサにより充電された電気エネルギーは自然放電によって徐々に減じる。したがって、常に電解コンデンサに十分な電気エネルギーが保持されるようにするために、商用交流電源から交流電力を負荷に供給している通常時にインバータ部は比較的頻繁に作動することになる。一般にインバータ部はスイッチング動作に伴う高周波ノイズ（高調波ノイズ）を発生し易いため、こうしたノイズに敏感な電子機器が周囲にあると誤動作等のおそれがあり、高価なノイズ対策部品を使用して外部へのノイズの放射を防止する必要がある。そこで、こうしたコストを抑えるためにノイズの発生自体を軽減することが要望されている。

また上記のような瞬時電圧低下補償装置では、電源系統とインバータ部との間に、インバータ部で直流／交流変換により生成された交流電圧の高周波成分を除去するためにインダクタンスやコンデンサから成るフィルタが配置されるが、通常時にインバータ部が頻繁に動作することでインダクタンスでの発熱量が大きくなるため、放熱性を考慮して比較的大形の素子を用いる必要がある。そのために回路の小形化に支障をきたしたり、コストが高いものとなったりすることがある。

特開２０００−１５２５１９号公報（段落０００３−０００５、図４）

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的とするところは、インバータ部の動作によるノイズの放射を抑制することができる瞬時電圧低下補償装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、インバータ部のフィルタを構成する素子を小さいものとすることができる瞬時電圧低下補償装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、商用交流電源から交流電力が供給される際に該電力に基づく電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段を有し、前記商用交流電源から負荷に供給される交流電圧が一時的に低下したときに、それに代えて前記蓄電手段に蓄えられている電気エネルギーを利用して負荷に交流電力を供給する瞬時電圧低下補償装置において、
a)商用交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して前記蓄電手段を充電するインバータ手段と、
b)商用交流電源から供給される交流電力を変圧した後に整流して前記蓄電手段を充電する補充電手段と、
c)前記蓄電手段に保持された電圧を検出する電圧検出手段と、
d)前記蓄電手段の電気エネルギーが少ないときに前記インバータ手段を作動させて急速充電を行うとともに、前記蓄電手段の電気エネルギーが自然放電により減少した際には前記補充電手段を作動させて前記蓄電手段の電気エネルギーを補充するように、前記インバータ手段又は前記補充電手段のいずれか一方を選択的に駆動する制御手段と、
を備え、該制御手段は、前記電圧検出手段による検出電圧が第１の所定値以下である場合、前記インバータ手段により定格電圧まで充電を行い、前記検出電圧が前記第１の所定値よりも高い第２の所定値を越えている状態から該第２の所定値まで下がったときには前記補充電手段により定格電圧まで充電を行うことを特徴としている。

本発明に係る瞬時電圧低下補償装置では、一時的な電圧低下時に放電により蓄電手段の電気エネルギーが殆ど空になった直後など、急速に蓄電手段の充電電圧を回復させる必要がある場合にはインバータ手段を利用するものの、それ以外の、例えば自然放電による充電電圧の低下を補うような比較的少量の充電でよい場合には補充電手段を用いて充電を行う。したがって、商用交流電源からの交流電力が負荷に供給されている通常時には、インバータ手段は殆ど動作することがなく、インバータ手段のスイッチング動作に伴うノイズの放射を抑制することができる。これにより、例えば周囲に置かれた耐ノイズ性の低い電子機器に対する影響を軽減することができ、外部へのノイズの放射を抑制するためのノイズ対策部品も廉価なもので済ますことができる。

また、インバータ手段に交流電力を供給する線路にはフィルタを構成する素子としてインダクタンスが配置されるが、通常時にインバータ手段は殆ど動作しないためにインダクタンスにも電流は殆ど流れない。このため、その発熱量を小さく、従来一般的に使用しているものよりも、耐熱性の低い小さな素子を用いることができる。それにより、回路基板や装置の小形化に有利であり、コストも引き下げることが可能である。

本発明に係る瞬時電圧低下補償装置の一実施例について説明する。図１は本実施例による瞬時電圧低下補償装置の概略ブロック構成図である。

この瞬時電圧低下補償装置は、１００Ｖ又は２００Ｖの商用交流電源１から負荷２０に供給される交流電力の電圧が一時的（例えば最大で１秒程度）に低下したときに、これを補償するものである。図１において、商用交流電源１から供給される交流電力は、ＦＥＴスイッチ（通常はパワーＭＯＳＦＥＴ）２１と過電流保護用の双方向サイリスタ２２とが並列に接続されて成る切替部２を経て負荷２０に供給され、さらに、この交流電力は複数のスイッチング素子を含むインバータ部（本発明におけるインバータ手段に相当）４に入力される。ＦＥＴスイッチ２１と双方向サイリスタ２２とはそれぞれ独立に、切替駆動部１５より与えられる駆動信号によりオン／オフが制御される。

インバータ部４には電解コンデンサ５１から成る蓄電部（本発明における蓄電手段に相当）５が接続され、インバータ部４は交流電力を直流に変換して電解コンデンサ５１を充電する、或いは、逆に電解コンデンサ５１に保持されている電気エネルギーを直流／交流変換する機能を有する。後者の際に、インダクタンスとコンデンサとから成るフィルタ７により、交流電力に重畳している高周波成分は除去される。

また、同じく蓄電部５の電解コンデンサ５１を充電するために、トランス６１、トランス６１の一次側巻線に直列接続された双方向サイリスタ６２、トランス６１の二次側巻線に接続された整流用ダイオード６３、コンデンサ６４、抵抗器６５などを含む補充電部（本発明における補充電手段に相当）６を備える。即ち、電解コンデンサ５１はインバータ部４と補充電部６とのいずれからでも充電が可能となっている。補充電部６の双方向サイリスタ６２は補充電駆動部１２により与えられる駆動信号によりオン／オフが制御される。また、インバータ部４の各スイッチング素子はインバータ駆動部１４により与えられる駆動信号によりオン／オフが制御される。

電圧低下検出部１１は商用交流電源１から供給される交流電力の電圧の低下を監視し、電圧低下を検出すると速やかに制御部１０にそれを知らせる。充電電圧検出部１３は電解コンデンサ５１に保持された充電電圧を検出し、その電圧値を制御部１０に入力する。また、本装置から負荷２０に供給される負荷電流は電流トランス３及び負荷電流検出部１６で検出され、その電流値が制御部１０に入力される。制御部１０はＣＰＵなどを中心に構成され、予め設定されたプログラムに従って、後述する各種制御や処理を実行する。

本装置の基本的な動作としては、商用交流電源１から供給される交流電力の電圧が正常である場合には、切替部２のＦＥＴスイッチ２１が導通状態となって、商用交流電力が負荷２０に供給される。このときにこの商用交流電力を元に後述のように電解コンデンサ５１に充電が行われ、電解コンデンサ５１に電気エネルギーが蓄えられる。電力供給事業者の電力供給の異常等により電圧が一時的に低下すると、制御部１０は電圧低下検出部１１からの検出信号により電圧低下を認識し、切替駆動部１５を介して切替部２のＦＥＴスイッチ２１をオフさせて負荷２０を商用交流電源１から切り離す。

一方、インバータ駆動部１４によりインバータ部４を動作させて、その直前まで電解コンデンサ５１に保持されていた電圧を直流／交流変換し、フィルタ７を介して波形整形して負荷２０に供給する。そして、商用交流電源１の電圧低下が解消されると、制御部１０はインバータ部４の動作を停止して補償電力の供給を止め、その後速やかに切替部２により商用交流電源１と負荷２０とを接続して、商用交流電源１による交流電力を負荷２０に供給する。これにより、商用交流電源１の電圧が一時的に低下しても、殆ど途切れなく交流電力を負荷２０に供給し続けることができる。

この瞬時電圧低下補償装置の特徴は、電解コンデンサ５１を充電する際の充電方法にある。次にこの点について、上記図１に図２を加えて説明する。図２は電解コンデンサ５１に保持される充電電圧の変化を示すグラフである。いま、初期状態は電解コンデンサ５１の充電電圧がゼロ（つまり完全に放電された状態）であるとする。

本装置の電源が投入され、入力電圧が正常であることを確認すると、制御部１０は上述したように切替部２を介して負荷２０に商用交流電力の供給を開始する。また、充電電圧検出部１３により検出される電圧値が第１の所定値Ｖ１以下である場合には、インバータ駆動部１４を介してインバータ部４を動作させ、インバータ部４で交流／直流変換して得た直流の電気エネルギーを電解コンデンサ５１に蓄積する。このとき、双方向サイリスタ６２はオフ状態とし補充電部６は動作させない。

前述のように初期の充電電圧が０である場合、図２に示すようにインバータ部４により電解コンデンサ５１が充電されてその充電電圧は急速に上昇する。そして、制御部１０は充電電圧検出部１３により検出される電圧値が定格電圧Ｖｆに達したならば、インバータ部４の動作を停止させ充電動作を停止する。インバータ部４のスイッチング素子はオフ状態であっても、定格電圧Ｖｆまで充電された電解コンデンサ５１の電気エネルギーは自然放電により徐々にではあるが減じてくる。

自然放電により充電電圧が下がってきてその電圧値が第２の所定値Ｖ２にまで下がると、充電電圧検出部１３により検出される電圧値に基づいてこれを認識した制御部１０は、補充電駆動部１２を介して双方向サイリスタ６２を導通させる。すると、トランス６１の一次側巻線に商用交流電源１による電流が流れ、二次側巻線の両端に所定の交流電圧が発生する。この電圧は整流用ダイオード６３で直流化され、抵抗器６５を介して電解コンデンサ５１を充電し始める。このときにはインバータ部４は動作させず、補充電部６のみにより電解コンデンサ５１の充電電圧は回復し始める。そして、充電電圧検出部１３により検出される電圧値が定格電圧Ｖｆに達したならば、補充電部６の動作を停止させ充電動作を停止する。

商用交流電源１の電圧が低下して上述のようにインバータ部４による交流電力の供給が実行されると、電解コンデンサ５１に蓄えられていた電気エネルギーは消費されるため、電解コンデンサ５１の充電電圧は急速に下がる。商用交流電源１の電圧が元の状態に復帰したときに、充電電圧検出部１３により検出される電圧値が第１の所定値Ｖ１以下である場合には上記の電源投入時と同様に、補充電部６ではなくインバータ部４を動作させてスイッチング動作により交流／直流変換した電気エネルギーを電解コンデンサ５１に蓄積する。そして、充電電圧が定格電圧Ｖｆに回復した後、自然放電による緩やかな充電電圧の低下に対しては補充電部６の動作により充電電圧の減少分を補う。

以上のように本実施例の瞬時電圧低下補償装置では、電解コンデンサ５１に残っている電気エネルギーの量が少なく急速充電する必要があるとき以外には、充電のためにインバータ部４は利用されず補充電部６の動作のみにより電解コンデンサ５１は充電される。したがって、通常時にインバータ部４は殆ど動作しないために、インバータ部４の動作、つまりインバータ部４のスイッチング素子のオン／オフ動作に伴う高周波ノイズの放射を抑制することができる。

なお、補充電部６は大きな充電電流を供給する必要はないため、補充電部６を構成するトランス６１などは比較的小さく、且つ低廉なコストのものを利用することができる。

また、上記説明において充電のための制御は適宜に変更することができる。例えば所定値Ｖ１、Ｖ２は同一でもよく、またインバータ部４の動作時間をできるだけ短くするためにインバータ部４の動作により所定値Ｖ２まで充電電圧が回復したならばインバータ部４の動作を停止して代わりに補充電部６により残りの充電を行ってもよい。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

本発明に係る瞬時電圧低下補償装置の一実施例の概略ブロック構成図。 本実施例の瞬時電圧低下補償装置における充電動作の説明図。

符号の説明

１…商用交流電源
２…切替部
２１…ＦＥＴスイッチ
２２…双方向サイリスタ
３…電流トランス
４…インバータ部
５…蓄電部
５１…電解コンデンサ
６…補充電部
６１…トランス
６２…双方向サイリスタ
６３…整流用ダイオード
６４…コンデンサ
６５…抵抗器
７…フィルタ
１０…制御部
１１…電圧低下検出部
１２…補充電駆動部
１３…充電電圧検出部
１４…インバータ駆動部
１５…切替駆動部
１６…負荷電流検出部
２０…負荷

Claims (3)

1. 商用交流電源から交流電力が供給される際に該電力に基づく電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段を有し、前記商用交流電源から負荷に供給される交流電圧が一時的に低下したときに、それに代えて前記蓄電手段に蓄えられている電気エネルギーを利用して負荷に交流電力を供給する瞬時電圧低下補償装置において、
   a)商用交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して前記蓄電手段を充電するインバータ手段と、
   b)商用交流電源から供給される交流電力を変圧した後に整流して前記蓄電手段を充電する補充電手段と、
   c)前記蓄電手段に保持された電圧を検出する電圧検出手段と、
   d)前記蓄電手段の電気エネルギーが少ないときに前記インバータ手段を作動させて急速充電を行うとともに、前記蓄電手段の電気エネルギーが自然放電により減少した際には前記補充電手段を作動させて前記蓄電手段の電気エネルギーを補充するように、前記インバータ手段又は前記補充電手段のいずれか一方を選択的に駆動する制御手段と、
   を備え、該制御手段は、前記電圧検出手段による検出電圧が第１の所定値以下である場合、前記インバータ手段により定格電圧まで充電を行い、前記検出電圧が前記第１の所定値よりも高い第２の所定値を越えている状態から該第２の所定値まで下がったときには前記補充電手段により定格電圧まで充電を行うことを特徴とする瞬時電圧低下補償装置。
2. 請求項１に記載の瞬時電圧低下補償装置であって、
   前記補充電手段は、商用交流電源から供給される交流電力を変圧するトランスと、該トランスの二次側巻線に発生した交流電圧を整流する整流回路と、前記トランスの一次側真近に流れる電流をオン・オフする交流スイッチと、を含み、前記制御手段は、前記交流スイッチのオン・オフを制御することにより補充電手段の駆動及び駆動停止を制御することを特徴とする瞬時電圧低下補償装置。
3. 商用交流電源から交流電力が供給される際に該電力に基づく電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段を有し、前記商用交流電源から負荷に供給される交流電圧が一時的に低下したときに、それに代えて前記蓄電手段に蓄えられている電気エネルギーを利用して負荷に交流電力を供給する瞬時電圧低下補償装置において、
   a)商用交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して前記蓄電手段を充電するインバータ手段と、
   b)商用交流電源から供給される交流電力を変圧した後に整流して前記蓄電手段を充電する補充電手段と、
   c)前記蓄電手段に保持された電圧を検出する電圧検出手段と、
   d)前記蓄電手段の電気エネルギーが少ないときに前記インバータ手段を作動させて急速充電を行うとともに、前記蓄電手段の電気エネルギーが自然放電により減少した際には前記補充電手段を作動させて前記蓄電手段の電気エネルギーを補充するように、前記インバータ手段又は前記補充電手段のいずれか一方を選択的に駆動する制御手段と、
   を備え、該制御手段は、前記電圧検出手段による検出電圧が第１の所定値以下である場合、前記インバータ手段により該第１の所定値よりも高い第２の所定値まで充電を行って引き続き前記補充電手段により定格電圧まで充電を行い、前記検出電圧が前記第２の所定値を越えている状態から該第２の所定値まで下がったときには前記補充電手段により定格電圧まで充電を行うことを特徴とする瞬時電圧低下補償装置。

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