JP2000172350A

JP2000172350A - 無停電電源装置及びその制御方法

Info

Publication number: JP2000172350A
Application number: JP10348226A
Authority: JP
Inventors: Tamahiko Kanouda; 玲彦叶田; Hideaki Kunisada; 秀明国貞; Hideyasu Umetsu; 秀恭梅津
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-12-08
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】装置の損失が少なく、かつ安価にして幅広い入
力電圧変動範囲において出力電圧を一定に制御すること
が可能な無停電電源装置を提供する。【解決手段】複数の電圧切替巻線タップを備えた変圧器
７と、前記巻線タップを切替るタップ切替装置５とを備
え、前記タップ切替装置を商用交流電源の入力電圧に応
じて切替ることにより出力電圧を一定に保つように形成
された無停電電源装置において、前記タップ切替装置５
の商用交流電源入力側に、前記変圧器７と直列に結合さ
れた第二の変圧器６を設けるとともに、この第二の変圧
器に、この第二の変圧器の二次巻線に結合され、商用交
流電源の小さな電圧変動を調整するインバータ１２を設
けるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は無停電電源装置およ
びその制御方法に係わり、特に電圧切替タップ巻線，す
なわち電圧調整機能を有する変圧器を備えている無停電
電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されているこの種の無停
電電源装置としては、常時インバータ給電方式のものが
多く採用されている。すなわち、無停電電源装置内にコ
ンバータおよびインバータを備え、そして商用交流電源
から入力された電力を前記コンバータによって一旦直流
に変換し、この変換された直流電力を再度インバータに
より商用交流電源に同期した一定電圧の交流電力に変換
して負荷に供給するようにしている。

【０００３】この無停電電源装置では、停電時には負荷
への供給電力を蓄電池の直流電力に切替ることにより、
安定な交流電力を供給することが可能である。しかし、
このような常時インバータ給電方式の無停電電源装置で
は、商用交流電源の健全時においても、常に負荷に供給
する電力をすべてコンバータおよびインバータを通して
賄うため、コンバータおよびインバータにおける電力損
失が問題となる。

【０００４】このため、すなわち省エネルギーの観点か
ら、商用交流電源の健全時にはコンバータおよびインバ
ータを動作させず、商用電力を無変換で負荷に給電し、
停電時のみインバータを動作させる常時商用給電方式の
無停電電源装置が好ましい。しかし、この常時商用給電
方式の無停電電源装置においては、インバータによる商
用交流電源の電圧安定化ができないため、大きな電圧変
動を許容しない負荷に対しては、他の方法で交流電圧の
安定化制御を行うようにしている。

【０００５】この交流電圧を安定化する装置に関連する
ものとしては、例えば特開平６−２８３３６０号公報が
挙げられる。また図２には、その回路図が示されてい
る。この図において、１は商用交流電源であり、５ａ、
５ｂおよび５ｃは切替手段、７は主変圧器、７ａは入力
巻線、７ｃは出力巻線、１３は負荷である。

【０００６】商用交流電源１は、切替手段５ａ、５ｂ、
５ｃが並列になるようにそれぞれの一端に接続される。
主変圧器７の中の入力巻線７ａは、２つの中間タップを
有しており、切替手段５ｃおよび５ｂはそれぞれ中間タ
ップに接続され、切替手段５ａは入力巻線７ａの終端に
接続される。その結果、入力巻線７ａの巻線数として
は、切替手段５ｃ、５ｂ、５ａの順に多くなる。入力巻
線７ａは主変圧器７の中で出力巻線７ｃと絶縁され、ま
た磁気的に結合しており、出力巻線７ｃの両端には、入
力巻線７ａに印加された電圧に応じた電圧が出力され、
この出力巻線７ｃの電圧が負荷１３に出力される。

【０００７】入力巻線７ａと出力巻線７ｃの巻数比は、
出力巻線７ｃの巻数を１とすると、切替手段５ｃを選ん
だときは、１−β：１、切替手段５ｂを選んだときは
１：１、切替手段５ａを選んだときは１＋α：１であ
る。

【０００８】また、その特性が図３に示されている。商
用交流電源１の入力電圧が定格近傍にあるときには、図
２の切替手段５ｂがオン状態となり、切替手段５ａ、５
ｃはオフ状態となっている。このとき、入力巻線７ａと
出力巻線７ｃとの巻数比は１：１であり、入力電圧と等
しい電圧が出力巻線７ｃに出力される。これは図３のタ
ップＢに示す実線の特性となる。

【０００９】入力電圧が上昇して１１０％以上になった
場合には、切替手段５ｂをオフするとともに切替手段５
ａをオンする。このように接続を変更すると、主変圧器
７の巻数比は１＋α：１となり、出力電圧は入力電圧に
対して低くなり、図３のタップＡの破線で示すような入
出力特性となる。同様に、入力電圧が低下して９０％以
下になった場合には、切替手段５ａ、５ｂをオフすると
ともに、切替手段５ｃをオンする。このように接続を変
更すると、主変圧器７の巻数比は１−β：１となり、出
力電圧は入力電圧に対して高くなり、図３のタップＣの
破線で示すような入出力特性となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように形成されて
いる交流電圧安定化装置は、大まかな電圧補正は可能で
あるが、しかし入力電圧の大小幅広い変動に対して常に
出力電圧を一定に保つことはできず、例えば図３の例で
は、出力電圧は定格電圧の±１０％の範囲で変動する。
この変動範囲を小さくするためには変圧器のタップの数
を増やすことが考えられるが、タップを増やすことはタ
ップ切替装置の切替器もその数に応じて増えることにな
り、コスト高となる嫌いがあり、またその切替制御も複
雑なものとなる。また、切替手段が増加することで電源
装置自体の信頼性も低下する恐れがある。

【００１１】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、装置の損失が少なく、かつ安価に
して幅広い入力電圧変動範囲において出力電圧を一定に
制御することが可能なこの種の無停電電源装置を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、複数
の電圧切替巻線タップを備えた変圧器と、前記巻線タッ
プを切替るタップ切替装置とを備え、前記タップ切替装
置を商用交流電源の入力電圧に応じて切替ることにより
出力電圧を一定に保つように形成された無停電電源装置
において、前記タップ切替装置の商用交流電源入力側
に、前記変圧器と直列に結合された第二の変圧器を設け
るとともに、この第二の変圧器に、この第二の変圧器の
二次巻線に結合され、商用交流電源の小さな電圧変動を
調整するインバータを設けるようになし所期の目的を達
成するようにしたものである。

【００１３】また本発明は、複数の電圧切替巻線タップ
を備えた主変圧器と、前記巻線タップを切替るタップ切
替装置とを備え、前記タップ切替装置を商用交流電源の
入力電圧に応じて切替ることにより出力電圧を一定に保
つように形成された無停電電源装置において、前記タッ
プ切替装置の商用交流電源入力側に、前記主変圧器と直
列に結合された第二の変圧器を設け、かつこの第二の変
圧器に、この第二の変圧器の二次巻線に結合されるとと
もに、前記主変圧器より作動電力が供給され、かつ前記
入力商用交流電源の小さな電圧変動を調整するインバー
タを設けるようにしたものである。

【００１４】また、複数の電圧切替巻線タップを備えた
変圧器と、前記巻線タップを切替るタップ切替装置とを
備え、前記タップ切替装置を商用交流電源の入力電圧に
応じて切替ることにより出力電圧を一定に保つように形
成された無停電電源装置において、前記タップ切替装置
の商用交流電源入力側に、前記変圧器と直列に結合され
た第二の変圧器を設けるとともに、この第二の変圧器
に、この第二の変圧器の二次巻線に結合され、前記電圧
切替巻線タップの切替電圧より小さな商用交流電源の電
圧変動を調整するインバータを設けるようにしたもので
ある。

【００１５】また、この場合、前記第二の変圧器の容量
を、装置定格容量の２０％以下に形成するようにしたも
のである。また、前記第二の変圧器の商用交流電源側に
結合されている巻線部に、この巻線と並列にフィルタコ
ンデンサを設けるようにしたものである。また、前記イ
ンバータを構成するスイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを
用いるようにしたものである。

【００１６】また本発明は、複数の電圧切替巻線タップ
を備えた変圧器と、前記巻線タップを切替るタップ切替
装置とを備え、前記タップ切替装置を商用交流電源の入
力電圧に応じて切替ることにより出力電圧を一定に保つ
ように形成された無停電電源装置の制御方法において、
前記タップ切替装置の商用交流電源入力側に、前記変圧
器と直列に結合された第二の変圧器を設けるとともに、
この第二の変圧器に、この第二の変圧器の二次巻線に結
合され、商用交流電源の電圧変動を調整するインバータ
を設け、商用交流電源の比較的大きな電圧変動に対して
は、前記タップ切替装置を切り替えることにより調整
し、商用交流電源の比較的小さな電圧変動に対しては、
前記インバータを動作させて調整し出力電圧を一定に制
御するようにしたものである。

【００１７】すなわちこのように形成された無停電電源
装置であると、タップ切替装置の商用交流電源入力側
に、変圧器と直列に結合された第二の変圧器が設けられ
るとともに、この第二の変圧器に、この第二の変圧器の
二次巻線に結合され、商用交流電源の小さな電圧変動を
調整するインバータが設けられていることから、変圧器
に設けられている切替るタップ切替装置の切替およびイ
ンバータの調整により、大小幅広い入力電圧変動範囲に
おいて出力電圧を一定に制御することが可能となり、ま
た、この場合、小さな電圧変動を調整するインバータお
よび第二の変圧器の容量は小容量のものでよく、安価で
あり、かつその損失は小さなものとなり、したがって、
この装置であると、損失が少なく、かつ安価にして幅広
い入力電圧変動範囲において出力電圧を一定に制御する
ことが可能となるのである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその無停電電源装置が
線図で示されている。１が商用交流電源であり、２が入
力スイッチ、３がバイパス切替スイッチ、４がフィルタ
コンデンサ、５ａ、５ｂ、５ｃは切替手段（切替器）、
６は補助変圧器、６ａは２次巻線、６ｂは１次巻線、７
は主変圧器、７ａは入力巻線、７ｂはインバータ巻線、
７ｃは出力巻線、８はフィルタコンデンサ、９はバイパ
ス回路、１０は出力スイッチ、１１は蓄電池、１２はイ
ンバータ、１３は負荷である。

【００１９】主変圧器７は、入力巻線７ａ、インバータ
巻線７ｂ、出力巻線７ｃの３つの絶縁された巻線を備え
ている変圧器である。また、補助変圧器６は、１次巻線
６ｂと２次巻線６ａの２つの絶縁された巻線を備えてい
る変圧器である。商用交流電源１の一方は、入力スイッ
チ２に接続され、他の一方は入力巻線７ａの一方に接続
される。入力スイッチ２の他方はバイパス切替スイッチ
３のコモン接点に接続される。

【００２０】バイパス切替スイッチ３の他の接点は２次
巻線６ａと、バイパス回路９にそれぞれ接続される。２
次巻線６ａの他方には切替手段５ａ、５ｂ、５ｃが一方
を共通にして接続される。切替手段５ａ、５ｂ、５ｃの
他方は、それぞれ入力巻線７ａのタップに、巻数の少な
い方から５ｃ、５ｂ、５ａの順となるように接続され
る。

【００２１】また、バイパス回路９は２次巻線６ａと切
替手段５ａ、５ｂ、５ｃとの間に接続される。また、２
次巻線６ａの両端にはフィルタコンデンサ４が接続され
る。出力巻線７ｃの両端にはフィルタコンデンサ８が接
続される。また、フィルタコンデンサの片方の端子には
出力スイッチ１０が接続され、出力スイッチ１０の他方
とフィルタコンデンサの他方の端子の間には負荷１３が
接続される。また、１次巻線６ｂの両端にはインバータ
１２が接続され、インバータ巻線７ｂの両端にもインバ
ータ１２が接続される。インバータ１２には蓄電池１１
が接続される。

【００２２】次に、インバータ１２の内部構成につい
て、フルブリッジタイプのＰＷＭインバータの例が示さ
れている図５に基づき説明をする。なお、図１と同じ構
成要素には同一の記号が付与されている。なお、その他
の符号としては、１４ａは電解コンデンサ、１５ａ、１
５ｂ、…１５ｈはスイッチング素子である。

【００２３】この図において、インバータ１２の内部に
は電解コンデンサ１４ａとスイッチング素子１５ａ、１
５ｂ、…１５ｈが設けられている。そして、蓄電池１１
はインバータ１２の内部の電解コンデンサ１４ａの両端
に接続されている。また、スイッチング素子１５ａと１
５ｂ、１５ｃと１５ｄ、１５ｅと１５ｆ、１５ｇと１５
ｈはそれぞれ直列に接続されており、これらの４組の直
列対が電解コンデンサ１４ａの両端に接続されている。

【００２４】また、スイッチング素子１５ａと１５ｂ、
１５ｃと１５ｄの２組の直列対の中点と１次巻線６ｂが
それぞれ接続されている。同様にスイッチング素子１５
ｅと１５ｆ、１５ｇと１５ｈの２組の直列対の中点とイ
ンバータ巻線７ｂがそれぞれ接続されている。

【００２５】次に、図１および図５の回路の動作を説明
する。まず、入力巻線７ａと出力巻線７ｃの巻数比は、
出力巻線の巻数を１とすると、切替手段５ｃを選んだと
きは、１−β：１、切替手段５ｂを選んだときは１：
１、切替手段５ａを選んだときは１＋α：１で、α、β
は０．１〜０．３の範囲の値である。

【００２６】第１に補助変圧器６を動作させないバイパ
ス給電モードの動作について説明する。このモードは図
２の回路と同じ動作である。すなわち、入力スイッチ２
をオンし、バイパス切替スイッチ３をバイパス回路９側
に接続し、かつ切替手段５ｂをオン、５ａ、５ｃをオフ
し、出力スイッチ１０をオンすると、入力巻線７ａと出
力巻線７ｃの巻数比は１：１になり、負荷１３には商用
交流電源１と同じ電圧が供給される。このときの入出力
特性は図４の破線で示したタップＢの特性となる。

【００２７】商用交流電源１の電圧が定格の±１０％の
範囲にある状態ではこのタップＢを用いるが、商用交流
電源１の電圧が定格の１１０％以上になったときには、
図１で切替手段５ａをオンし、５ｂ、５ｃをオフするこ
とにより、出力巻線７ｃに対する入力巻線７ａの巻数比
は１＋α：１となり、入出力特性はタップＡとなる。

【００２８】同様に、商用交流電源１の電圧が定格の９
０％以下に低下したときには、切替手段５ｃを選ぶこと
により、巻数比は１−β：１となり、入出力特性はタッ
プＣの特性となる。この結果、入出力特性は図４に示す
破線の特性となり、入力電圧が定格の約８０〜１３０％
の範囲で変化しても出力電圧は９０〜１１０％以内の変
化に抑えらえる。

【００２９】次に、本発明の主眼である出力電圧一定モ
ードについて説明する。このモードでは、切替手段５
ａ、５ｂ、５ｃの切替は、バイパス給電モードと同一の
条件でおこなうものとする。そして、バイパス切替スイ
ッチ３を２次巻線６ａの側に接続すると、入力巻線７ａ
に印加される電圧は商用交流電源１の電圧と２次巻線６
ａの両端に現れる電圧の和となる。このときインバータ
１２内のスイッチング素子１５ａ、１５ｂおよび１５
ｃ、１５ｄを商用周波数よりも十分に高い周波数をキャ
リア波として相補ＰＷＭ動作させることにより、１次巻
線６ｂにＰＷＭ変調された電圧が印加される。

【００３０】２次巻線６ａの両端にはフィルタコンデン
サ４が取り付けられており、このフィルタコンデンサ４
と補助変圧器６内の漏れインダクタンスにより、キャリ
ア周波数成分がフィルタリングされ、基本波成分である
商用周波数の交流電圧のみが２次巻線６ａの両端に現れ
る。そこで、インバータ１２内のスイッチング素子１５
ａ、１５ｂおよび１５ｃ、１５ｄに与えるオンオフ信号
の変調率を制御することにより、２次巻線６ａに現れる
電圧を制御し、バイパス給電モードとは異なり、入力巻
線７ａに印加する電圧を一定に制御することが可能にな
る。

【００３１】補助変圧器６で補償する電圧は、図４に示
す入出力電圧特性において、破線と定格出力電圧の差分
である。このため、補助変圧器６として必要な容量は装
置の出力容量の約１０％で済むことになる。

【００３２】出力電圧一定モードでは、入力巻線７ａに
印加する電圧を上昇させる際には、インバータ１２から
２次巻線６ａに補償電力を供給する。この際に必要とな
る補償電力は、インバータ１２内の電解コンデンサ１４
ａを介して、スイッチング素子１５ｅ、１５ｆ、１５
ｇ、１５ｈとインバータ巻線７ｂで構成されるＰＷＭイ
ンバータによって、変圧器７から供給される。

【００３３】一方、入力巻線７ａに印加する電圧を低下
させる際には、２次巻線６ａから補償電力をインバータ
１２側に回生する。この回生電力は、インバータ１２内
の電解コンデンサ１４ａを介して、スイッチング素子１
５ｅ、１５ｆ、１５ｇ、１５ｈとインバータ巻線７ｂで
構成されるＰＷＭインバータによって、変圧器７から商
用交流電源１に回生される。

【００３４】バイパス給電モード、出力電圧一定モード
とも、インバータ１２は蓄電池１１を充電する動作を行
う。この動作は、変圧器７のインバータ巻線７ｂに印加
される交流電圧を、スイッチング素子１５ｅ、１５ｆ、
１５ｇ、１５ｈのＰＷＭインバータで直流電圧に変換
し、蓄電池１１を充電するものである。

【００３５】また、バイパス給電モード、出力電圧一定
モードを問わず、無停電電源装置として停電時の動作を
備える。この動作は、商用交流電源１が停電した際に
は、入力スイッチ２をオフし、インバータ１２の中のス
イッチング素子１５ａ〜１５ｄをオフし、かつスイッチ
ング素子１５ｅ〜１５ｈをＰＷＭ動作させ、蓄電池１１
の持つ直流電力を高周波交流電力に変換してインバータ
巻線７ｂに印加し、出力巻線７ｃの両端から出力する。

【００３６】出力巻線７ｃの両端にはフィルタコンデン
サ８が接続されており、変圧器７の内部の漏れインダク
タンスとフィルタコンデンサ８とによりＰＷＭのキャリ
ア波である高周波成分がフィルタリングされ、基本波成
分である商用交流のみが出力巻線７ｃの両端に現れる。
この結果、蓄電池１１の直流電力を商用周波数の交流に
変換して負荷１３に供給することができる。

【００３７】本実施の形態としては、スイッチング素子
としてＭＯＳＦＥＴを用いているが、もちろん、バイポ
ーラパワートランジスタ、ＩＧＢＴといった他のスイッ
チング素子を用いても良い。また、本実施の形態では切
替手段５ａ、５ｂ、５ｃ、入力スイッチ２、バイパス切
替スイッチ３、および出力スイッチ１０としてリレーを
用いた図面としているが、これらは半導体で構成される
交流スイッチに置き換えても良い。

【００３８】さらに、図６にはインバータ１２の別の実
施の形態としてハーブブリッジタイプの構成が示されて
いる。この図において、図５と同じ構成要素には同一の
符号が付与されている。その他、図６において、１４ｂ
と１４ｃは電解コンデンサである。次にこの図に基づき
接続関係を説明する。電解コンデンサ１４ｂと１４ｃが
直列に接続され、電解コンデンサ１４ｂの高電位側と電
解コンデンサ１４ｃの低電位側が蓄電池１１の両端に接
続される。

【００３９】また、スイッチング素子１５ａと１５ｂ、
１５ｅと１５ｆがそれぞれ直列に接続され、これら２組
の直列対が蓄電池１１の両端に接続される。また、スイ
ッチング素子１５ａと１５ｂの中点と、電解コンデンサ
１４ｂと１４ｃの中点の間に、補助変圧器６の１次巻線
６ｂが接続される。同様に、スイッチング素子１５ｅと
１５ｆの中点と、電解コンデンサ１４ｂと１４ｃの中点
の間に、主変圧器７のインバータ巻線７ｂが接続され
る。

【００４０】次に、動作関係を説明する。スイッチング
素子１５ａ、１５ｂを相補ＰＷＭ動作させると、１次巻
線６ｂの両端に高周波交流電圧が印加される。また、同
様にスイッチング素子１５ｅ、１５ｆを相補ＰＷＭ動作
させると、インバータ巻線７ｂの両端に高周波交流電圧
が印加される。このようにして図６に示すハーフブリッ
ジ構成のインバータにおいても、図５の回路と同様な動
作をすることが可能となる。

【００４１】次に、本発明の第２の実施の形態を図７を
用いて説明する。他の図面と同一の構成要素には同一の
記号を付与されている。その他、図７において、７ｄは
補助巻線、１６ａ、１６ｂは切替手段である。

【００４２】次に、図７の接続関係を説明する。主変圧
器７は補助巻線７ｄ、インバータ巻線７ｂ、出力巻線７
ｃの３つの絶縁された巻線を有する変圧器である。ま
た、補助変圧器６は１次巻線６ｂと２次巻線６ａの２つ
の絶縁された巻線を有する変圧器である。

【００４３】商用交流電源１の一方は入力スイッチ２に
接続され、他の一方は出力巻線７ｃの一方に接続されて
いる。入力スイッチ２の他方はバイパス切替スイッチ３
のコモン接点に接続されている。バイパス切替スイッチ
３の他の接点は２次巻線６ａと、バイパス回路９にそれ
ぞれ接続されている。

【００４４】また、２次巻線６ａの他方には切替手段１
６ａのコモン接点が接続される。切替手段１６ａの他の
接点は、それぞれ補助巻線７ｄの両端に接続される。ま
た、バイパス回路９は切替手段１６ａのコモン接点に接
続される。また、２次巻線６ａの両端にはフィルタコン
デンサ４が接続される。出力巻線７ｃの、商用交流電源
１に接続されていない方の端子に切替手段１６ｂのコモ
ン接点が接続される。

【００４５】切替手段１６ｂの他の接点は、補助巻線７
ｄの両端に接続される。切替手段１６ｂのコモン接点
と、商用交流電源１と出力巻線７ｃの接続点との間にフ
ィルタコンデンサ８が接続される。また、切替手段１６
ｂのコモン接点には出力スイッチ１０が接続され、出力
スイッチ１０の他方と、商用交流電源１と出力巻線７ｃ
の接続点との間には負荷１３が接続される。また、１次
巻線６ｂの両端にはインバータ１２が接続され、インバ
ータ巻線７ｂの両端にもインバータ１２が接続される。
インバータ１２には蓄電池１１が接続される。

【００４６】次に、図７の回路の動作を説明する。ま
ず、補助巻線７ｄと出力巻線７ｃの巻数比は、出力巻線
の巻数を１とすると、α：１であり、αはおよそ０．１
〜０．３の範囲の値である。

【００４７】第１に補助変圧器６を動作させないバイパ
ス給電モードの動作について説明する。このモードで
は、入力スイッチ２をオンし、バイパス切替スイッチ３
をバイパス回路９側に接続し、かつ切替手段１６ａ、１
６ｂをともに図示のＡ側に接続し、出力スイッチ１０を
オンする。このとき、負荷１３には商用交流電源１が直
接接続され、負荷に商用電圧が供給される。このときの
入出力特性は図４の破線で示したタップＢの特性と等し
くなる。

【００４８】商用交流電源１の電圧が定格の±１０％の
範囲にある状態ではこの接続を用いるが、商用交流電源
１の電圧が定格の１１０％以上になったときには、図７
で切替手段１６ａをＡ側に、かつ切替手段１６ｂをＢ側
に接続する。これにより、変圧器７に印加される電圧
は、商用交流電源１側から見て１＋α、出力側から見て
１となり、等価的な巻数比は１＋α：１となり、入出力
特性は図４のタップＡの特性に等しくなる。

【００４９】同様に、商用交流電源１の電圧が定格の９
０％以下に低下したときには、切替手段１６ａをＢ、切
替手段１６ｂをＡに接続することにより、変圧器７に印
加される電圧は、商用交流電源１側から見て１−α、出
力側から見て１となり、等価的な巻数比は１−α：１と
なり、入出力特性は図４のタップｃの特性に等しくな
る。この結果、入出力特性は図４に示す破線の特性とな
り、入力電圧が定格の約８０〜１３０％の範囲で変化し
ても出力電圧は９０〜１１０％以内の変化に抑えらえ
る。

【００５０】次に、出力電圧一定モードについて説明す
る。このモードでは、切替手段１６ａ、１６ｂの切替
は、バイパス給電モードと同一の条件でおこなうものと
する。そして、バイパス切替スイッチ３を２次巻線６ａ
の側に接続すると、切替手段１６ａのコモン接点に印加
される電圧は商用交流電源１の電圧と２次巻線６ａの両
端に現れる電圧の和となる。このときインバータ１２内
のスイッチング素子を商用周波数よりも十分に高い周波
数をキャリア波として相補ＰＷＭ動作させることによ
り、１次巻線６ｂにＰＷＭ変調された電圧が印加され
る。

【００５１】２次巻線６ａの両端にはフィルタコンデン
サ４が取り付けられており、このフィルタコンデンサ４
と補助変圧器６内の漏れインダクタンスにより、キャリ
ア周波数成分がフィルタリングされ、基本波成分である
商用周波数の交流電圧のみが２次巻線６ａの両端に現れ
る。そこで、インバータ１２内のスイッチング素子に与
えるオンオフ信号の変調率を制御することにより、２次
巻線６ａに現れる電圧を制御し、バイパス給電モードと
は異なり、出力電圧を一定に制御することが可能にな
る。

【００５２】この実施の形態においても、補助変圧器６
で補償する電圧は、図４に示す入出力電圧特性におい
て、破線と定格出力電圧の差分である。このため、補助
変圧器６として必要な容量は装置の出力容量の約１０％
で済むことになる。また、本実施の形態においても、イ
ンバータによる蓄電池の充電、補償電力の需給、停電時
の動作などは本発明の第１の実施の形態と同様である。

【００５３】なお、本実施の形態としては、スイッチン
グ素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合を例に挙げてい
るが、勿論バイポーラパワートランジスタ、ＩＧＢＴと
いった他のスイッチング素子を用いても良い。また、本
実施の形態では切替手段１６ａ、１６ｂ、入力スイッチ
２、バイパス切替スイッチ３、および出力スイッチ１０
としてリレーを用いた図面としているが、これらは半導
体で構成される交流スイッチに置き換えても良い。ま
た、本実施の形態ではインバータ１２として、図５、図
６のインバータのいずれを使用しても良い。

【００５４】次に、本発明の第３の実施の形態を図８を
用いて説明する。図８において、他の図面と同一の構成
要素には同一の記号を付与した。

【００５５】次に、図８の接続関係を説明する。図８に
おいて、主変圧器７は入力巻線７ａ、インバータ巻線７
ｂ、出力巻線７ｃの３つの絶縁された巻線を有する変圧
器である。また、補助変圧器６は１次巻線６ｂと２次巻
線６ａの２つの絶縁された巻線を有する変圧器である。
そして、商用交流電源１の一方は入力スイッチ２に接続
され、他の一方は入力巻線７ａの一方に接続される。入
力スイッチ２の他方は切替手段５ａ、５ｂ、５ｃが一方
を共通にして接続される。

【００５６】切替手段５ａ、５ｂ、５ｃの他方は、それ
ぞれ入力巻線７ａのタップに、巻数の少ない方から５
ｃ、５ｂ、５ａの順となるように接続される。出力巻線
７ｃの両端にはフィルタコンデンサ８が接続される。フ
ィルタコンデンサ８の一方には２次巻線６ａが接続され
る。２次巻線６ａの他方にはバイパス切替スイッチ３の
一方の接点が接続される。２次巻線６ａの両端にはフィ
ルタコンデンサ４が接続される。バイパス切替スイッチ
３の他の接点にはバイパス回路９が接続され、このバイ
パス回路９は出力巻線７ｃと２次巻線６ａの接続点に接
続される。

【００５７】また、バイパス切替スイッチ３のコモン接
点に出力スイッチ１０が接続される。出力巻線７ｃの端
子のうち２次巻線が接続されない方の端子と、出力スイ
ッチ１０の他方との間に、負荷１３が接続される。ま
た、１次巻線６ｂの両端にはインバータ１２が接続さ
れ、インバータ巻線７ｂの両端にもインバータ１２が接
続される。インバータ１２には蓄電池１１が接続され
る。

【００５８】次に、図８の回路の動作を説明する。ま
ず、入力巻線７ａと出力巻線７ｃの巻数比は、出力巻線
の巻数を１とすると、切替手段５ｃを選んだときは、１
−β：１、切替手段５ｂを選んだときは１：１、切替手
段５ａを選んだときは１＋α：１で、α、βはおよそ
０．１〜０．３の範囲の値である。

【００５９】第１に補助変圧器６を動作させないバイパ
ス給電モードの動作について説明する。このモードは図
２の回路と同じ動作である。すなわち、入力スイッチ２
をオンし、バイパス切替スイッチ３をバイパス回路９側
に接続し、かつ切替手段５ｂをオン、５ａ、５ｃをオフ
し、出力スイッチ１０をオンすると、入力巻線７ａと出
力巻線７ｃの巻数比は１：１になり、負荷１３には商用
交流電源１と同じ電圧が供給される。このときの入出力
特性は図４の破線で示したタップＢの特性となる。

【００６０】商用交流電源１の電圧が定格の±１０％の
範囲にある状態ではこのタップＢを用いるが、商用交流
電源１の電圧が定格の１１０％以上になったときには、
図８で切替手段５ａをオンし、５ｂ、５ｃをオフするこ
とにより、出力巻線７ｃに対する入力巻線７ａの巻数比
は１＋α：１となり、入出力特性はタップＡの特性とな
る。同様に、商用交流電源１の電圧が定格の９０％以下
に低下したときには、切替手段５ｃを選ぶことにより、
巻数比は１−β：１となり、入出力特性はタップＣの特
性となる。この結果、入出力特性は図４に示す破線の特
性となり、入力電圧が定格の約８０〜１３０％の範囲で
変化しても出力電圧は９０〜１１０％以内の変化に抑え
らえる。

【００６１】次に、出力電圧一定モードについて説明す
る。このモードでは、切替手段５ａ、５ｂ、５ｃの切替
は、バイパス給電モードと同一の条件でおこなうものと
する。そして、バイパス切替スイッチ３を２次巻線６ａ
の側に接続すると、入力巻線７ａに印加される電圧は商
用交流電源１の電圧と２次巻線６ａの両端に現れる電圧
の和となる。このときインバータ１２内のスイッチング
素子を商用周波数よりも十分に高い周波数をキャリア波
として相補ＰＷＭ動作させることにより、１次巻線６ｂ
にＰＷＭ変調された電圧が印加される。

【００６２】２次巻線６ａの両端にはフィルタコンデン
サ４が取り付けられており、このフィルタコンデンサ４
と補助変圧器６内の漏れインダクタンスにより、キャリ
ア周波数成分がフィルタリングされ、基本波成分である
商用周波数の交流電圧のみが２次巻線６ａの両端に現れ
る。そこで、インバータ１２内のスイッチング素子に与
えるオンオフ信号の変調率を制御することにより、２次
巻線６ａに現れる電圧を制御し、バイパス給電モードと
は異なり、入力巻線７ａに印加する電圧を一定に制御す
ることが可能になる。

【００６３】補助変圧器６で補償する電圧は、図４に示
す入出力電圧特性において、破線と定格出力電圧の差分
である。このため、本実施の形態においても、補助変圧
器６として必要な容量は本発明の他の実施の形態と同
様、装置の出力容量の約１０％で済むことになる。

【００６４】本実施の形態においても、インバータによ
る蓄電池の充電、補償電力の需給、停電時の動作などは
本発明の第１、第２の実施の形態と同様である。また、
本実施の形態ではインバータ１２として、図５、図６の
インバータのいずれを使用しても良い。また、インバー
タ１２のスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ、バイ
ポーラパワートランジスタ、ＩＧＢＴといったスイッチ
ング素子を用いることができる。また、本実施の形態で
は切替手段５ａ、５ｂ、５ｃ、入力スイッチ２、バイパ
ス切替スイッチ３、および出力スイッチ１０としてリレ
ーを用いた図面としているが、これらは半導体で構成さ
れる交流スイッチに置き換えても良い。

【００６５】次に、本発明の第４の実施の形態を図９を
用いて説明する。図９において、他の図面と同一の構成
要素には同一の記号を付与した。

【００６６】まず、図９の接続関係を説明する。図９に
おいて、主変圧器７は入力巻線７ａ、インバータ巻線７
ｂ、出力巻線７ｃの３つの絶縁された巻線を有する変圧
器である。また、補助変圧器６は１次巻線６ｂと２次巻
線６ａの２つの絶縁された巻線を有する変圧器である。

【００６７】そして、商用交流電源１の一方は入力スイ
ッチ２に接続され、他の一方は入力巻線７ａの一方に接
続される。入力スイッチ２の他方はバイパス切替スイッ
チ３のコモン接点に接続される。バイパス切替スイッチ
３の他の接点は２次巻線６ａと、バイパス回路９にそれ
ぞれ接続される。

【００６８】２次巻線６ａの他方は、入力巻線７ａの、
商用交流電源１が接続されていない方の端子に接続され
る。２次巻線６ａの両端にはフィルタコンデンサ４が接
続される。また、バイパス回路９は２次巻線６ａと入力
巻線７ａの接続点に接続される。切替手段５ａ、５ｂ、
５ｃは、それぞれ出力巻線７ｃのタップに、巻数の少な
い方から５ａ、５ｂ、５ｃの順となるように接続され
る。切替手段５ａ、５ｂ、５ｃの他の一方は、共通に接
続される。

【００６９】出力巻線７ｃの、切替手段５ａ、５ｂ、５
ｃが接続されない側の端子と、切替手段５ａ、５ｂ、５
ｃの共通端子との間にはフィルタコンデンサ８が接続さ
れる。切替手段５ａ、５ｂ、５ｃの共通端子には出力ス
イッチ１０が接続される。出力巻線７ｃとフィルタコン
デンサ８の接続点と、出力スイッチ１０との間に負荷１
３が接続される。また、１次巻線６ｂの両端にはインバ
ータ１２が接続され、インバータ巻線７ｂの両端にもイ
ンバータ１２が接続される。インバータ１２には蓄電池
１１が接続される。

【００７０】次に、図９の回路の動作を説明する。ま
ず、入力巻線７ａと出力巻線７ｃの巻数比は、入力巻線
の巻数を１とすると、切替手段５ｃを選んだときは、
１：１＋α、切替手段５ｂを選んだときは１：１、切替
手段５ａを選んだときは１：１−βで、α、βはおよそ
０．１〜０．３の範囲の値である。

【００７１】第１に補助変圧器６を動作させないバイパ
ス給電モードの動作について説明する。このモードは図
２の回路とほぼ同じ動作である。すなわち、入力スイッ
チ２をオンし、バイパス切替スイッチ３をバイパス回路
９側に接続し、かつ切替手段５ｂをオン、５ａ、５ｃを
オフし、出力スイッチ１０をオンすると、入力巻線７ａ
と出力巻線７ｃの巻数比は１：１になり、負荷１３には
商用交流電源１と同じ電圧が供給される。このときの入
出力特性は図４の破線で示したタップＢの特性となる。

【００７２】商用交流電源１の電圧が定格の±１０％の
範囲にある状態ではこのタップＢを用いるが、商用交流
電源１の電圧が定格の１１０％以上になったときには、
図９で切替手段５ａをオンし、５ｂ、５ｃをオフするこ
とにより、入力巻線７ａに対する出力巻線７ｃの巻数比
は１：１−βとなり、入出力特性はタップＡの特性とな
る。

【００７３】同様に、商用交流電源１の電圧が定格の９
０％以下に低下したときには、切替手段５ｃを選ぶこと
により、巻数比は１：１＋αとなり、入出力特性はタッ
プＣの特性となる。この結果、入出力特性は図４に示す
破線の特性となり、入力電圧が定格の約８０〜１３０％
の範囲で変化しても出力電圧は９０〜１１０％以内の変
化に抑えらえる。

【００７４】次に、出力電圧一定モードについて説明す
る。このモードでは、切替手段５ａ、５ｂ、５ｃの切替
は、バイパス給電モードと同一の条件でおこなうものと
する。そして、バイパス切替スイッチ３を２次巻線６ａ
の側に接続すると、入力巻線７ａに印加される電圧は商
用交流電源１の電圧と２次巻線６ａの両端に現れる電圧
の和となる。このときインバータ１２内のスイッチング
素子を商用周波数よりも十分に高い周波数をキャリア波
として相補ＰＷＭ動作させることにより、１次巻線６ｂ
にＰＷＭ変調された電圧が印加される。

【００７５】２次巻線６ａの両端にはフィルタコンデン
サ４が取り付けられており、このフィルタコンデンサ４
と補助変圧器６内の漏れインダクタンスにより、キャリ
ア周波数成分がフィルタリングされ、基本波成分である
商用周波数の交流電圧のみが２次巻線６ａの両端に現れ
る。そこで、インバータ１２内のスイッチング素子に与
えるオンオフ信号の変調率を制御することにより、２次
巻線６ａに現れる電圧を制御し、バイパス給電モードと
は異なり、入力巻線７ａに印加する電圧を一定に制御す
ることが可能になる。

【００７６】補助変圧器６で補償する電圧は、図４に示
す入出力電圧特性において、破線と定格出力電圧の差分
である。このため、本実施の形態においても、補助変圧
器６として必要な容量は本発明の他の実施の形態と同
様、装置の出力容量の約１０％で済むことになる。

【００７７】本実施の形態においても、インバータによ
る蓄電池の充電、補償電力の需給、停電時の動作などは
本発明の第１、第２、および第３の実施の形態と同様で
ある。また、本実施の形態ではインバータ１２として、
図５、図６のインバータのいずれを使用しても良い。ま
た、インバータ１２のスイッチング素子として、ＭＯＳ
ＦＥＴ、バイポーラパワートランジスタ、ＩＧＢＴとい
ったスイッチング素子を用いることができる。また、本
実施の形態では切替手段５ａ、５ｂ、５ｃ、入力スイッ
チ２、バイパス切替スイッチ３、および出力スイッチ１
０としてリレーを用いた図面としているが、これらは半
導体で構成される交流スイッチに置き換えても良い。

【００７８】以上説明してきたようにこのように形成さ
れた無停電電源装置であると、従来のタップあるいは補
助巻線を有する変圧器を用いて電圧調整を行う常時商用
給電方式の無停電電源装置において、定格の１０％程度
の補助変圧器と、同容量のインバータを追加すること
で、定格のおよそ８０〜１３０％の範囲の広い入力電圧
範囲において、出力電圧を一定に制御することが可能と
なる。この構成は、常時インバータ給電方式の無停電電
源装置よりも簡単に実現でき、一定出力特性を有する無
停電電源装置を安価に提供できる。また、バイパス給電
モードに切り替えると従来の入出力特性となり、定格の
およそ８０〜１３０％の範囲の入力に対して出力電圧は
定格のおよそ±１０％である。このモードではインバー
タが動作しないため、無停電電源装置の損失が低減でき
省エネルギー化に寄与することも可能である。そこで、
比較的電源事情の悪い場合には出力電圧一定モードで運
転し、商用電源電圧の安定している場合には従来のバイ
パス給電モードに切り替えて使用することができるので
ある。

【００７９】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、装置の損失が少なく，かつ安価にして幅広い入力電
圧範囲において出力電圧を一定に制御することが可能な
この種の無停電電源装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の無停電電源装置の一実施例を示す回路
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】従来の無停電電源装置の入出力特性を示す特性
図である。

【図４】本発明の無停電電源装置の入出力特性を示す特
性図である。

【図５】本発明の無停電電源装置のインバータの回路の
詳細を示す回路図である。

【図６】本発明の無停電電源装置のインバータの別の回
路を示す回路図である。

【図７】本発明の無停電電源装置の他の実施例を示す回
路図である。

【図８】本発明の無停電電源装置の他の実施例を示す回
路図である。

【図９】本発明の無停電電源装置の他の実施例を示す回
路図である。

【符号の説明】

１…商用交流電源、２…入力スイッチ、３…バイパス切
替スイッチ、４…フィルタコンデンサ、５ａ，５ｂ，５
ｃ…切替手段、６…補助変圧器、６ａ…２次巻線、６ｂ
…１次巻線、７…主変圧器、７ａ…入力巻線、７ｂ…イ
ンバータ巻線、７ｃ…出力巻線、７ｄ…補助巻線、８…
フィルタコンデンサ、９…バイパス回路、１０…出力ス
イッチ、１１…蓄電池、１２…インバータ、１３…負
荷、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…電解コンデンサ、１５
ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５
ｇ，１５ｈ…スイッチング素子、１６ａ，１６ｂ…切替
手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者梅津秀恭茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内Ｆターム(参考） 5H007 BB05 CA02 CB05 CC01 CC32 DA06 5H420 BB12 CC02 CC04 CC08 DD03 DD08 EA30 EA37 EA47 EB38 EB39

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の電圧切替巻線タップを備えた変圧
器と、前記巻線タップを切替るタップ切替装置とを備
え、前記タップ切替装置を商用交流電源の入力電圧に応
じて切替ることにより出力電圧を一定に保つように形成
された無停電電源装置において、前記タップ切替装置の商用交流電源入力側に、前記変圧
器と直列に結合された第二の変圧器を設けるとともに、
この第二の変圧器に、この第二の変圧器の二次巻線に結
合され、商用交流電源の小さな電圧変動を調整するイン
バータを設けたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】複数の電圧切替巻線タップを備えた主変
圧器と、前記巻線タップを切替るタップ切替装置とを備
え、前記タップ切替装置を商用交流電源の入力電圧に応
じて切替ることにより出力電圧を一定に保つように形成
された無停電電源装置において、前記タップ切替装置の商用交流電源入力側に、前記主変
圧器と直列に結合された第二の変圧器を設け、かつこの
第二の変圧器に、この第二の変圧器の二次巻線に結合さ
れるとともに、前記主変圧器より作動電力が供給され、
かつ前記入力商用交流電源の小さな電圧変動を調整する
インバータを設けたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項３】複数の電圧切替巻線タップを備えた変圧
器と、前記巻線タップを切替るタップ切替装置とを備
え、前記タップ切替装置を商用交流電源の入力電圧に応
じて切替ることにより出力電圧を一定に保つように形成
された無停電電源装置において、前記タップ切替装置の商用交流電源入力側に、前記変圧
器と直列に結合された第二の変圧器を設けるとともに、
この第二の変圧器に、この第二の変圧器の二次巻線に結
合され、前記電圧切替巻線タップの切替電圧より小さな
商用交流電源の電圧変動を調整するインバータを設ける
ようにしたことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項４】前記第二の変圧器の容量が、装置定格容
量の２０％以下に形成されてなる請求項１，２または３
記載の無停電電源装置。
【請求項５】前記第二の変圧器の商用交流電源側に結
合されている巻線部に、該巻線と並列にフィルタコンデ
ンサが設けられてなる請求項１ないし４のいずれかの項
に記載の無停電電源装置。
【請求項６】前記インバータを構成するスイッチング
素子にＭＯＳＦＥＴが用いられてなる請求項１ないし５
のいずれかの項に記載の無停電電源装置。
【請求項７】複数の電圧切替巻線タップを備えた変圧
器と、前記巻線タップを切替るタップ切替装置とを備
え、前記タップ切替装置を商用交流電源の入力電圧に応
じて切替ることにより出力電圧を一定に保つように形成
された無停電電源装置の制御方法において、前記タップ切替装置の商用交流電源入力側に、前記変圧
器と直列に結合された第二の変圧器を設けるとともに、
この第二の変圧器に、この第二の変圧器の二次巻線に結
合され、商用交流電源の電圧変動を調整するインバータ
を設け、商用交流電源の比較的大きな電圧変動に対して
は、前記タップ切替装置を切り替えることにより調整
し、商用交流電源の比較的小さな電圧変動に対しては、
前記インバータを動作させて調整し出力電圧を一定に制
御するようにしたことを特徴とする無停電電源装置の制
御方法。