JP2004517598A

JP2004517598A - 無停電電源装置

Info

Publication number: JP2004517598A
Application number: JP2002560254A
Authority: JP
Inventors: ニールセン、ヘニング、ロアール; リンゲ、レネ
Original assignee: アメリカンパワーコンバージョンデンマークエイピーエス
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: US7012825B2; ATE349796T1; EP1402612B1; EP1402612A1; DK174494B1; NO324758B1; CN100380775C; NO20033307L; JP3821230B2; DE60217111D1; WO2002060032A1; US20040084967A1; NO20033307D0; DK200100140A; CN1496600A; DE60217111T2

Abstract

本発明は結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器に関するものである。変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）は少なくとも１つの相を持つＡＣ電源（１０３，３０３，７０３，８０３）と選択的に結合し、また少なくとも１つのＤＣ電源（１０１，１０２，３０１，７０１，７０２，８０１）と選択的に結合する。変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）は一度に少なくとも１つの電源から電力を受ける。変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）は、電源を切り替えるとき個々の電源と変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）とを接続または切断する制御可能な接触手段を含むことによりパルス信号を生成する。変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）は少なくとも１つのＤＣ出力（１２５，１２６，３２５，７２５，７２６，８２５）と接続する少なくとも１個のコイル（１１２，１１３，３１２）を含む。変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）が従来の技術より優れている点は、パルス信号を複数の期間に分割して或る期間中は接触手段により電源の切替えを行うことである。複数の期間は少なくとも１つの第１の電源と少なくとも１つの第２の電源から交替に開始する。第１の電源からの電流パルスは第２の電源からの電流パルスに従って調節する。変換器は少なくとも１つのＤＣ出力（１２５，１２６，３２５，７２５，７２６，８２５）の電圧を調節する手段を含む。これにより、１つのＡＣ電源と１つまたは複数のＤＣ電源（１０１，１０２，１０３，３０３，７０１，７０２，７０３，８０１，８０３）から給電することのできる柔軟な変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）が得られる。第１の電源と第２の電源との切替えは停電なしに行うことができる。過負荷状態では、２つ以上の電源から電流を引き出すことができる。

Description

【０００１】
本発明は一般に結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器（以下、変換器と呼ぶ）に関するものである。変換器は少なくとも１つの相を持つＡＣ電源に接続し、また少なくとも１つのＤＣ電源に接続する。変換器は一度に少なくとも１つの電源から電力の供給を受け、また変換器は制御可能な切替え手段を含む。切替え手段は電源を切り替えることにより個々の電源と変換器とを接続または切断し、これによりパルス信号を生成する。変換器は、少なくとも１つのＤＣ出力に接続する少なくとも１個のコイルを含む。
【０００２】
特許出願番号第ＷＯ００３３４５１号は、変換器ユニットの入力の１つまたは複数のＤＣ電圧レベルを変換器ユニットの出力の１つのＤＣ電圧に変換する変換器ユニットを教示している。この変換器ユニットは個々のＤＣ入力電圧レベルを接続または切断して振動信号を形成する制御可能な切替え手段を含み、またこの変換器ユニットは振動信号を低域濾波して変換器ユニットの出力にＤＣ電圧を形成する濾波手段を含む。
【０００３】
しかし不便なことに、この変換器ユニットはＡＣ電源に接続することができない。また、この変換器ユニットは電力損失なしに電源をゆるやかに切り替えることができない。これついては次に示す方法の説明を参照していただきたい。また、この変換器ユニットは過負荷状態の場合に適応的な切替えを行うことができない。
【０００４】
米国特許番号第５，７５１，５６４号は、異なる電圧レベルを持つ２つ以上の異なる電源に接続することが可能な、かつ一次電源が低下しまたは完全に停止した場合でも停電なしに電力を供給することが可能な切替え電源システムを開示している。その出力電圧は従来の切替え電源の場合より安定しており、内部損も小さい。このため、従来のＵＰＳシステムに比べてバックアップ供給時間を長くすることができる。最後に、切替え電源をＡＣ電源に直接接続することができるので、例えばノートブック・コンピュータに用いる場合、ＡＣ電源に接続するときにＡＣ／ＤＣアダプタを用いる必要がない。
しかし、この回路はＡＣ電源とＤＣ電源を無停電で切り替えることができない。
【０００５】
本発明の目的は、例えば１つまたは複数の相を持つＡＣ電源と１つまたは複数のＤＣ電源とを結合した１つまたは複数の電源から電力を受ける変換器を提供することである。第１の電源から第２の電源への切替えを停電なしにゆるやかに行い、また過負荷状態では１つまたは複数の電源に依存することができる。
【０００６】
これは次のようにして実現することができる。すなわち、パルス信号を複数の期間に分割して或る期間中は切替え手段により電源を切り替え、期間は少なくとも１つの第１の電源からおよび少なくとも１つの第２の電源から交替に開始し、また第１の電源からの電流パルスは第２の電源からの電流パルスに依存して調節し、また変換器は少なくとも１つのＤＣ出力の電圧を調節する手段を含む。
【０００７】
これにより、１つのＡＣ電源と１つまたは複数のＤＣ電源から電力を受けることのできる柔軟な変換器が得られる。第１の電源から第２の電源への切替えを電力損なしに行い、また過負荷状態では２つ以上の電源に依存することができる。ディーゼル発電器からの電流網の形のＡＣ電源と電池の形のＤＣ電源を用いる場合、一般的な過負荷状態において、この変換器の利点は、補助的なエネルギーをＤＣ電源から供給することによりＡＣ電源からの電流を一定の高い値に保持することができることである。これにより、ＡＣ電源内では小型のケーブルとヒューズを用いることが可能であり、ヒューズが過負荷により飛ぶことはない。
【０００８】
「電源」という用語は、ここでは共通の基準点を介して接続する１つまたは複数の相を持つＡＣ電源か、または共通の基準点を介して直列に接続して正および負の供給電圧を生成する１つまたは２つのＤＣ電源を指す。
この変換器の特徴は、ＡＣ電源が単相ＡＣ電源であることと、少なくとも１つのＤＣ電源を備えることである。
これにより、単相ＡＣ電源と１つ（または複数）のＤＣ電源を急に切り替える場合に停電が起こるのを防ぐ単相システム用の変換器が得られる。
この変換器の特徴は、ＡＣ電源が多相ＡＣ電源であることと、少なくとも１つのＤＣ電源を備えることである。
これにより、多相ＡＣ電源と１つ（または複数）のＤＣ電源とを急に切り替える場合に停電が起こるのを防ぐ多相システム用の変換器が得られる。
【０００９】
この変換器の特徴は、コイルを通る電流を測定する電流検出器からの信号に基づいて、制御回路が、コイルの第１の端子とＤＣ電源とをそれぞれ接続および切断する手段と、コイルの第２の端子と共通の基準点とをそれぞれ接続および切断する手段とを有することである。コイルの第２の端子が共通の基準点に接続していないときは、コイルを通る電流は変換器のＤＣ出力に流れる。変換器は、ＡＣ電源とコイルの第１の端子（すなわち、ＤＣ電源に接続することもできるコイルの端子）とをそれぞれ接続および切断する手段を備える。
【００１０】
これにより、最小限の数の構成要素を有すると共に、電源をゆるやかに切り替えることが可能な変換器が得られる。ここで、第１の電源はＡＣ電源であり、第２の電源はＤＣ電源である。変換器は、電源を急に切り替えるときに停電が起こるのを防ぐ。
【００１１】
この変換器の特徴は、少なくとも１つの変換器を用いて、共通の基準点に対して正のＤＣ出力を形成し、また少なくとも１つの変換器を用いて、共通の基準点に対して負のＤＣ出力を形成することである。
これにより、正の（選択的に、一層正の）ＤＣ出力電圧と、負の（選択的に、一層負の）ＤＣ出力電圧を出力し、しかも電源を急に切り替えるときに停電が起こるのを防ぐことのできる変換器が得られる。
【００１２】
この変換器の特徴は、共通の基準点に対して正の出力電圧を形成するのに用いる変換器と負の出力電圧を形成するのに用いる変換器とがＡＣ電源を共用することである。
これにより、必要なＡＣ電源の数を最小限にする変換器が得られる。利用可能なＡＣ電源が少ないところでも変換器を用いることができるので、これは大きな利点である。
【００１３】
この変換器の特徴は、コイルの第１の端子とＤＣ電源とをそれぞれ接続および切断する手段が制御可能なスイッチであることである。制御可能なスイッチは１つ置きの半周期の少なくとも一部の間接続するよう調節することができる。
これにより、ＤＣ電源から給電を行う時間を調節することできる。これは、多数の変換器を同じ電池に並列に結合できるという利点に関連する。この場合、各変換器に他の変換器とは異なる時間を割り当て、その間は各変換器はＤＣ電源だけからエネルギーを得る。複数の変換器を同じＤＣ電源に並列に結合できるということは、最小限のＤＣ電源を用いて給電できることも意味する。
【００１４】
この変換器の特徴は、コイルの第２の端子と共通の基準点とをそれぞれ接続および切断する手段が制御可能なスイッチであることである。制御可能なスイッチは１つ置きの半周期の少なくとも一部の間接続するよう調節することができる。また制御可能なスイッチは一般にバースト・シリーズ（ｂｕｒｓｔｓｅｒｉｅｓ）で接続する。
これによりコイルの電圧を調節することできる。一方ではＤＣ電源からのエネルギーの消費をゆるやかに切り替えることができるし、他方では変換器の名目出力電圧をフィールド内で調整することができる。変換器の名目出力電圧をフィールド内で調整することができるということは、複数の異なる出力電圧が必要なときに同じ変換器設計を用いることができることを意味する。これにより、異なる変換器の数を減らすことができる。
【００１５】
この変換器の特徴は、電界効果トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、ゲート・ターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯ）、注入強化ゲート・トランジスタ（ＩＥＧＴ）の中の少なくとも１つのタイプで構成する半導体を制御可能なスイッチとして用いることである。
これにより、給電と構築と空間の要件を考慮に入れて半導体技術を選択することができる。
【００１６】
この変換器の特徴は、過負荷の状態において、ＡＣ電源からの電流を一定の最大値に制限し、補助的なエネルギーをＤＣ電源から供給することである。
これにより、ＡＣ電源の負荷がゆるやかになり、変換器はＡＣ電源を過負荷にすることがない。
【００１７】
図１は正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００を示す。電池１０１の正の端子はサイリスタ１０６のアノードに接続する。電池１０１の負の端子は共通の基準点１０４に接続する。サイリスタ１０６のカソードはダイオード１１９のカソードに接続する。サイリスタ１０６のゲートは制御回路１０８の出力に接続する。サイリスタ１０６のカソードはコイル１１２に接続する。電流センサ１１４はサイリスタ１０６とコイル１１２との接続点を囲う。電流センサ１１４は制御回路１０８の入力に接続する。コイル１１２は更にトランジスタ１１０のコレクタに接続する。トランジスタ１１０のコレクタはダイオード１２１のアノードに接続する。トランジスタ１１０のエミッタは共通の基準点１０４に接続する。制御回路１０８の出力はトランジスタ１１０のベースに接続する。ダイオード１２１のカソードはコンデンサ１２３とＤＣ出力１２５とに接続する。コンデンサ１２３は更に共通の基準点１０４に接続する。ＤＣ出力１２５は制御回路１０８に接続する。
【００１８】
電池１０２の負の端子はサイリスタ１０７のカソードに接続する。電池１０２の正の端子は共通の基準点１０４に接続する。サイリスタ１０７のアノードはダイオード１２０のアノードに接続する。サイリスタ１０７のゲートは制御回路１０９の出力に接続する。サイリスタ１０７のアノードはコイル１１３に接続する。電流センサ１１５はサイリスタ１０７とコイル１１３との接続点を囲う。電流センサ１１５は制御回路１０９の入力に接続する。コイル１１３は更にトランジスタ１１１のエミッタに接続する。トランジスタ１１１のエミッタはダイオード１２２のカソードに接続する。トランジスタ１１１のコレクタは共通の基準点１０４に接続する。制御回路１０９の出力はトランジスタ１１１のベースに接続する。ダイオード１２２のアノードはコンデンサ１２４とＤＣ出力１２６とに接続する。コンデンサは更に共通の基準点１０４に接続する。ＤＣ出力１２６は制御回路１０９に接続する。
【００１９】
ダイオード１１９のアノードはノード１１８に接続する。ダイオード１２０のカソードはノード１１８に接続する。ノード１１８はスイッチ１２７に接続する。スイッチ１２７は更に単相ＡＣ電源１０３と同期回路１０５の入力とに接続する。単相ＡＣ電源１０３は更に共通の基準点１０４に接続する。同期回路１０５の第１の出力は制御回路１０８の入力に接続し、同期回路１０５の第２の出力は制御回路１０９の入力に接続し、同期回路１０５の第３の出力はスイッチ１２７の制御入力に接続する。
【００２０】
同期回路１０５の役目は、スイッチ１２７を介してＡＣ電源１０２を変換器１００に接続するために、有効な電圧のＡＣ電源１０３が存在するときを登録することである。同期回路１０５の他の目的は、ＡＣ電力に対して既知の位相を持つ同期制御信号を制御回路１０８，１０９に与えることによりＡＣ電力に同期させることである。単相ＡＣ電源１０３の正の半周期では、電流は単相ＡＣ電源１０３から接点１２７を通り、更にダイオード１１９を通り、更にコイル１１２を通って流れる。トランジスタ１１０が遮断されている場合は、電流はコイル１１２から更にダイオード１２１を通ってＤＣ出力１２５に流れる。トランジスタ１１０が導通している場合は、電流はコイル１１２から共通の基準点１０４に流れる。この期間は、サイリスタ１０６は切断されている。
【００２１】
単相ＡＣ電源１０３の負の半周期では制御回路１０８がサイリスタ１０６を導通させるので、電流は電池１０１からサイリスタ１０６を通り、更にコイル１１２を通って流れる。トランジスタ１１０が遮断されている場合は電流はコイル１１２からＤＣ出力１２５に流れ、トランジスタ１１０が導通している場合は電流はコイル１１２から共通の基準点１０４に流れる。制御回路１０８は可変デューティ・サイクルのパルスにより、通常、単相ＡＣ電源１０３の周波数よりかなり高い周波数でトランジスタ１１０を制御する。
【００２２】
コイル１１２とトランジスタ１１０とダイオード１２１から成る補助回路はブースト変換器を構成する。トランジスタ１１０が導通している間はコイル１１２内の電流が増加する。トランジスタが遮断されている間は、電流はダイオード１２１を通ってＤＣ出力１２５に流れると同時に減少し始め、コイル１１２の上の電圧は逆極性になる。トランジスタ１１０のデューティ・サイクルを調節することにより、コイル１１２内の電流を、したがってＤＣ出力１２５の電圧も、調節することができる。トランジスタ１１０の正しいデューティ・サイクルは、ＤＣ出力１２５からの帰還結合を介して測定する出力電圧に基づいて制御回路１０８が決定する。コンデンサ１２３はＤＣ出力１２５の電圧を或るＤＣ電圧に平滑する。単相ＡＣ電源１０３の負の半周期では、電流は単相ＡＣ電源１０３にスイッチ１２７から、更にダイオード１２０から、また更にコイル１１３から流れる。トランジスタ１１１が遮断されている場合は、電流はコイル１１３にダイオード１２２から、更にＤＣ出力１２６から流れ、ダイオード１１１が導通している場合は、電流はコイル１１３に共通の基準点１０４から流れる。この期間は、サイリスタ１０７は遮断されている。
【００２３】
単相ＡＣ電源１０３の正の半周期では制御回路１０９がサイリスタ１０７を導通させるので、電池１０２への電流がサイリスタ１０７から、更にコイル１１３から流れる。トランジスタ１１１が遮断されている場合は、電流はコイル１１３にダイオード１２２から、更にＤＣ出力から流れ、トランジスタ１１１が導通している場合は、電流はコイル１１３に共通の基準点１０４から流れる。制御回路１０９は可変デューティ・サイクルのパルスにより、通常、単相ＡＣ電源１０３の周波数よりかなり高い周波数でトランジスタ１１１を制御する。
【００２４】
コイル１１３とトランジスタ１１１とダイオード１２２から成る補助回路はブースト変換器を構成する。トランジスタ１１１が導通している間はコイル１１３内の電流が増加する。トランジスタ１１１が遮断されている間は、電流はダイオード１２２から、更にＤＣ出力１２６から流れると同時に減少し始め、コイル１１３の上の電圧は逆極性になる。トランジスタ１１１のデューティ・サイクルを調節することにより、コイル１１３内の電流を、したがってＤＣ出力１２６の電圧も、調節することができる。トランジスタ１１１の正しいデューティ・サイクルは、ＤＣ出力１２６からの帰還結合を介して測定する出力電圧に基づいて制御回路１０９が決定する。コンデンサ１２４はＤＣ出力の電圧を或るＤＣ電圧に平滑する。
【００２５】
調節器は２つの独立な調節装置から成る。１つは制御回路１０８内の正の出力電圧用であり、他の１つは制御回路１０９内の負の出力電圧用である。各調節装置の目的は、一定の出力電圧を保持すると共に、電流がＡＣ電源から供給されてもＤＣ電源から供給されても、所定のはっきり定義された曲線形を持つ電流を吸収することである。これを実際に行う方法は、２つの制御回路１０８、１０９毎に２つの調節器ループを用いることである。１つは電流の曲線形を維持するため、他方は一定の出力電圧を保つためのものである。電流の曲線形を決定する調節器ループは、通常、２つの調節器ループの中の速い方である。これは、２個のトランジスタ１１０または１１１の一方へのパルス幅変調信号をその出力に出す。
【００２６】
トランジスタ１１０、１１１が導通する度にコイル１１２，１１３内の電流は増加する。トランジスタ１１０、１１１が遮断される度に電流は減少し、その場合コイル１１２，１１３の上の電圧は逆極性になる。実際にはこの電流制御は、周波数を一定に保つかまたは変化させる種々の原理に従って、または電流の瞬時値または数パルスにわたって平均した平均値に従って行われる。これらの種々の原理は従来の技術に属するものであって、どの原理も、供給される信号の振幅と曲線形に最適に従うように変換器１００のコイル１１２，１１３内の電流を制御することができる。これを行うには、電流の測定値と望ましい電圧に対応する信号とを比較して、パルス／ブレーキ（ｐｕｌｓｅ／ｂｒｅａｋ）比を絶えず適応させる。
【００２７】
コイル１１２，１１３内の電流は常に増加または減少するが、数パルスにわたって平均したときに望ましい曲線形に対応するように、絶えずパルス／ブレーキ比で調節する。ここで用いる「パルス」という用語はトランジスタ１１０，１１１の制御パルスを指し、通常、その周波数は電流網の周波数に比べて高い。調節器ループは、関係する変換器１００が所定の時刻に引き出したい電流に対応する曲線形と振幅を持つ信号を受ける。以後この曲線形を電流基準と呼ぶ。この電流基準の曲線形は変換器１００の動作モードに依存する。
【００２８】
電流をＡＣ電源１０３だけから引き出すのが望ましい場合は、曲線形は正弦波のそれぞれ正および負の半周期であって、網から引き出す全電流量は正弦波になる。これは図１の期間２３６の曲線２３１に見られる曲線形である。電流を電池１０１，１０２だけから引き出すことが望ましい場合は、変換器１００の２つの両半分の基準はＤＣ信号だけである。なぜなら、この場合は電池１０１，１０２から一定のＤＣ電流を引き出すことが望ましいからである。電流を両方の電源から引き出すことが望ましい場合は、電流基準は図２の期間２３５の曲線２３１に対応する形を有する。この曲線形の一部は正弦半波から、一部は長方形または台形のパルスから成る。
【００２９】
ここに述べた電流基準は電子回路の電圧または電流の曲線形として生成してもよいし、例えばマイクロプロセッサまたはディジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）により生成するディジタル的に計算した曲線形でもよい。上に説明したどの動作形式で実行するかを知るため検出器回路１０５を設けて、ＡＣ電源１０３が存在しかつ許容できる電圧の質を有するかどうか判定する。これに該当すればＡＣ運転を選択する。ＡＣ電源１０３が存在しないか、または電流または周波数が何らかの理由で許容できないと判定された場合は、電池運転に切り替える。ＡＣ電圧が回復しかつ許容できる質のものになれば、図２の線で示すランプイン・コース（ｒａｍｐ−ｉｎｃｏｕｒｓｅ）が行われる。検出器回路１０５は両方の変換器が共用することができる。
【００３０】
望ましい曲線形を生成するのに同期ユニット１０５も用いる。これもＡＣ信号を受け、このＡＣ信号に同期する。これにより、位相情報を２個の制御／調節器ユニット１０９，１０９に与え、ＡＣ信号上で時間的にゼロに対する１の推移を（例えば０度と３６０度の間の度数として）知らせる。かかる位相情報は、後で上述の曲線形の時間的なコースを決定するのに用いる。運転モードと同期に関する前記信号の他に、上記の電流基準の振幅も絶えず適応させることが可能でなければならない。信号の振幅を変えることにより、ＡＣ電源１０３またはＤＣ電源１０１，１０２から引き出す電流の量が変わり、したがって変換器１００に供給する電力量が変わる。
【００３１】
この電力供給は、変換器１００の出力から引き出す電力と損失に起因する電力とを加えた必要電力量を正確にカバーするように絶えず適応させなければならない。必要以上に電力を供給した場合はコンデンサ１２３と１２４の電圧が増加し続けることを意味し、またこれに対応して、供給電力が少なすぎる場合は電圧が減少する。したがって正しい出力電圧を維持するため、各制御／調節器回路１０８，１９０内に調節器ループを設け、１２５と１２６の電圧を測定して適当な基準値と比較する。望ましい値から出力電圧がずれた場合は、上に述べた電流基準信号の振幅を上方または下方に調節する。
【００３２】
ＡＣ電源１０３から引き出すことが許される電流の特定の最大値は常に１つだけである。ランプイン・コース中は、所定の時間（例えば１０秒）以内にゼロから所定の最大値までこの最大値を直線的に増加させる。この最大許容値以上の電流または電力を供給したい場合は、最大可能値を持つ半波形の正弦信号を形成する一方で、残りの必要電力を電池からの電流パルスで補う。２つのパルスの配分は、全体で必要な供給電力をカバーするように絶えず計算する。これに対応して、ＡＣ電流パルスのこの制限を用いて、過負荷中の電流網またはディーゼル発電器からの電流を制限する。またこの場合は、必要な全電力量を供給するために必要な電池からの補充量を計算する。
【００３３】
ノード１１８で分離し、代わりにＡＣ電源１０３とスイッチ１２７とを整流器ブリッジの交流入力に接続し、整流器ブリッジの正の出力をダイオード１１９のアノードに接続し、整流器ブリッジの負の出力をダイオード１２０のカソードに接続した場合は、両半周期にＡＣ電源１０３から変換器１００の正半分と負半分に給電することもできる。これにより、電池１０１，１０２の電力消費を減らすことができる。
【００３４】
図２は、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００のランプイン・コースの曲線を示す。第１の曲線２３１はコイル１１２を通る電流を示す。第２の曲線２３２はコイル１１３を通る電流を示す。第３の曲線２３３は単相ＡＣ電源１０３の全電流を示す。第１の曲線２３１と第２の曲線２３２と第３の曲線２３３において、第１の期間２３４は電池１０１，１０２だけからの給電を示し、第２の期間２３５は電池１０１，１０２と単相ＡＣ電源１０３から給電するランプイン・コースを示す。電池１０１，１０２からの電流は単相ＡＣ電源１０３からの電流が増加するに従って減少する。また第３の期間２３６は単相ＡＣ電源１０３だけからの給電を示す。
【００３５】
期間２３４では、電池１０１，１０２だけが結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００に給電する。期間２３５ではランプイン・コースが起こり、給電は電池１０１，１０２からだけでなく単相ＡＣ電源１０３からも行われる。電池１０１，１０２からのパルス電流の強さは単相ＡＣ電源１０３からのパルス電流が増加するに従って減少する。期間２３６では、単相ＡＣ電源１０３だけが結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００に給電する。
【００３６】
図３は正の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器３００を示す。電池３０１の正の端子はサイリスタ３０６のアノードに接続する。電池３０１の負の端子はサイリスタ３０６のアノードに接続する。電池３０１の負の端子は共通の基準点３０４に接続する。サイリスタ３０６のカソードはダイオード３１９のカソードに接続する。サイリスタ３０６のゲートは制御回路３０８の出力に接続する。サイリスタ３０６のカソードはコイル３１２に接続する。電流センサ３１４はサイリスタ３０６とコイル３１２との接続点を囲う。電流センサ３１４は制御回路３０８の入力に接続する。コイル３１２は更にトランジスタ３１０のコレクタに接続する。トランジスタ３１０のコレクタはダイオード３２１のアノードに接続する。トランジスタ３１０のエミッタは共通の基準点３０４に接続する。
【００３７】
制御回路３０８の出力はトランジスタ３１０のベースに接続する。ダイオード３２１のカソードはコンデンサ３２３とＤＣ出力３２５とに接続する。コンデンサ３２３は更に共通基準点３０４に接続する。ＤＣ出力３２５は制御回路３０８に接続する。ダイオード３１９のアノードは更にスイッチ３２７に接続する。スイッチ３２７は更に単相ＡＣ電源３０３と同期回路３０５の入力とに接続する。単相ＡＣ電源３０３は更に共通基準点３０４に接続する。同期回路３０５の第１の出力は制御回路３０８の入力に接続し、同期回路３０５の第２の出力はスイッチ３２７の制御入力に接続する。
【００３８】
図３に係る、正の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器３００の機能性の表示は、図１に係る、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００の正半分の機能性の表示に従う。正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００と同様に、ＡＣ電源３０３とスイッチ３２７とを代わりに整流器ブリッジの交流入力に結合し、整流器ブリッジの正の出力をダイオード３１９のアノードに接続し、整流器ブリッジの負の出力を基準点３０４に接続してもよい。これにより両半周期にＡＣ電源３０３から変換器３００に給電することができる。これにより、電池３０１の電力消費を減らすことができる。
【００３９】
図４は、正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器７００，７４０，７８０のランプイン・コースの曲線を示す。第１の曲線４３１は或る相（相１）における変換器の正半分のコイルを通る電流を示す。第２の曲線４３２は同じ相（相１）における変換器の負半分のコイルを通る電流を示す。第３の曲線４３３は同じ相（相１）におけるＡＣ電源７０３の全電流量を示す。第４の曲線４３７は３相全部（相１、相２、相３）における電池７０１から変換器の正半分への全電流量を示す。第５の曲線４３８は３相全部（相１、相２、相３）における変換器の負半分から電池７０２への全電流量を示す。第１の曲線４３１と、第２の曲線４３２と、第３の曲線４３３と、第４の曲線４３７と、第５の曲線４３８において、第１の期間４３４は電池７０１，７０２だけからの給電を示し、第２の期間４３５は電池７０１，７０２とＡＣ電源７０３から給電するランプイン・コースを示す。電池７０１，７０２からの電流はＡＣ電源７０３からの電流が増加するに従って減少する。また第３の期間４３６はＡＣ電源７０３だけからの給電を示す。
【００４０】
図４に係る、正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器７００，７４０，７８０のランプイン・コースの機能性の表示は、図２に係る、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００のランプイン・コースの機能性の表示に従う。電池７０１，７０２は３相全部（相１、相２、相３）の変換器７００，７４０，７８０が共用する（同じものである）。電池７０１，７０２は、図１に係る、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００にそれぞれが対応する、他の点では独立の３つの回路７００，７４０，７８０に給電する。これは、電池７０１は各回路７００，７４０，７８０内の３個のサイリスタに接続し、電池７０２は同じ３つの各回路内の３個のサイリスタに接続することを意味する。３つの回路７００，７４０，７８０はそれぞれの相を用い、共通の基準点７０４は３相が共用する。
【００４１】
図５は、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００の過負荷コースの曲線を示す。第１の曲線５３９は許容上限電流しきい値に対する電流負荷を百分率で示す。第２の曲線５３１はコイル１１２を通る電流を示す。第３の曲線５３２はコイル１１３を通る電流を示す。第４の曲線５３３は単相ＡＣ電源１０３の全電流量を示す。第１の曲線５３９と、第２の曲線５３１と、第３の曲線５３２と、第４の曲線５３３において、第１および第３の期間５３６は単相ＡＣ電源１０３だけからの給電による通常の動作を示し、第２の期間５４０は電池１０１，１０２と単相ＡＣ電源１０３の両方からの給電による過負荷コースを示す。電池１０１，１０２からの電流の振幅は、単相ＡＣ電源１０３からの電流を一定にかつ或る許容電流しきい値内に保つ場合の振幅である。
【００４２】
２つの期間５３６では通常の動作を行う。この場合、単相ＡＣ電源１０３だけが結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００に給電する。期間５４０では過負荷コースが起こり、電池１０１，１０２と単相ＡＣ電源１０３の両方から給電する。電池１０１，１０２からのパルス電流の振幅は過負荷において完全に補償するように調整する。これにより、単相ＡＣ電源１０３からの電流を一定にかつ或る許容しきい値以内に保つ。
【００４３】
図６は、正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器７００，７４０，７８０の過負荷コースの曲線を示す。第１の曲線６３９は許容上限電流しきい値に対する３相全部の過負荷を百分率で示す。第２の曲線６３１は或る相（相１）において変換器の正半分内のコイルを通る電流を示す。第３の曲線６３２は同じ相（相１）において変換器の負半分内のコイルを通る電流を示す。第４の曲線６３３は同じ相（相１）においてＡＣ電源７０３の全電流量を示す。第５の曲線６３７は変換器の正半分の電池７０１から３相全部（相１、相２、相３）への全電流量を示す。第６の曲線６３８は変換器の負半分内の３相全部（相１、相２、相３）から電池７０２への全電流量を示す。第１の曲線６３９と、第２の曲線６３１と、第３の曲線６３２と、第４の曲線６３３において、第１および第３の期間６３６はＡＣ電源７０３だけからの給電による通常の動作を示し、第２の期間６４０は電池７０１，７０２とＡＣ電源７０３の両方からの給電による過負荷コースを示す。電池７０１，７０２からの電流の振幅は、ＡＣ電源７０３からの電流を一定にかつ所定の許容電流しきい値内に保つ場合の振幅である。
【００４４】
図６に係る、正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器７００，７４０，７８０の過負荷コースの機能性の表示は、図５に係る、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００の過負荷コースの機能性の表示に従う。電池７０１，７０２は３相全部（相１、相２、相３）の変換器７００，７４０，７８０が共用する（同じものである）。電池７０１，７０２は、図１に係る、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００にそれぞれが対応する、他の点では独立の３つの回路７００，７４０，７８０に給電する。これは、電池７０１は各回路７００，７４０，７８０内の３個のサイリスタに接続し、電池７０２は同じ３つの各回路内の３個のサイリスタに接続することを意味する。３つの回路７００，７４０，７８０はそれぞれの相を用い、共通の基準点７０４は３相が共用する。
【００４５】
図７は、共用ＤＣ電源７０１，７０２を持つ３つの変換器７００，７４０，７８０で構築する、正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器を示す。電池７０１の正の端子は、図１のサイリスタ１０６に対応する、３つの各変換器７００，７４０，７８０内のサイリスタのアノードに接続する。電池７０１の負の端子は共通の基準点７０４に接続する。電池７０２の負の端子は、図１のサイリスタ１０７に対応する、３つの各変換器７００，７４０，７８０内のサイリスタのカソードに接続する。電池７０２の正の端子は共通の基準点７０４に接続する。図１のスイッチ１２７に対応する、３つの各変換器７００，７４０，７８０内のスイッチは、ＡＣ電源７０３の各相に接続する。ＡＣ電源７０３は更に共通の基準点７０４に接続する。３つの変換器７００，７４０，７８０の正の出力は全て出力７２５に接続する。３つの変換器７００，７４０，７８０の負の出力は全て出力７２６に接続する。３つの変換器７００，７４０，７８０の基準は基準点７０４に接続する。
【００４６】
図７に係る、共用ＤＣ電源７０１，７０２を持つ３つの変換器７００，７４０，７８０で構築する正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器の機能性の表示は、図１に係る、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００の機能性の表示に従う。
【００４７】
図８は、共用ＤＣ電源８０１を持つ３つの変換器８００，８４０，８８０で構築する、正の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器を示す。電池８０１の正の端子は図３のサイリスタ３０６に対応する、３つの各変換器８００，８４０，８８０内のサイリスタのアノードに接続する。電池８０１の負の端子は共通の基準点８０４に接続する。図３のスイッチ３２７に対応する、３つの各変換器８００，８４０，８８０内のスイッチは、ＡＣ電源８０３の各相に接続する。ＡＣ電源８０３は更に共通の基準点８０４に接続する。３つの変換器８００，８４０，８８０の負の出力は全て出力８２５に接続する。３つの変換器８００，８４０，８８０の基準は全て基準点８０４に接続する。
【００４８】
図８に係る、共通ＤＣ電源８０１を持つ３相変換器８００，８４０，８８０で構築する、正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器の機能性の表示は、図１に係る、正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器１００の正半分の機能性の表示に従う。
【００４９】
変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）の特徴は、例えば少なくとも１つのＤＣ出力（１２５，１２６，３２５，７２５，７２６，８２５）に所定の負荷（一般に全負荷）がかかるとき、ＤＣ電源（１０１，１０２，３０１，７０１，７０２，８０１）からＡＣ電源（１０３，３０３，７０３，８０３）（一般にディーゼル発電機）への切替えを適応的に行い、他方でＡＣ電源（１０３，３０３，７０３，８０３）の周波数と電圧の安定を考慮に入れることである。電源のかかる適応的な切替えによりＤＣ電源からＡＣ電源にゆるやかに切り替え、切替え中は両方の電源から給電する。電源の適応的な切替えは、複数の連続的な期間に両方の電源から給電することを選択的に含む。最後に、電源を適応的に切り替えるということは、完全にまたは部分的に再び元のＤＣ電源に切り替えることが可能であることを意味する。これによりＡＣ電源との結合をより緩やかに行い、変換器と負荷とをＡＣ電源を急に強制的に結合しない。これにより、過負荷のためにＡＣ電源の周波数や電圧などが変動するのを防ぐ。ＡＣ電源がディーゼル発電機の場合は、急に強制的に負荷に結合するのを避けることが大切である。なぜなら、過負荷になるとロータ電流が生じてディーゼル発電機の周波数と電圧が不安定になるからである。最悪の場合は、不安定のために自己振動が起こり、その結果停電することがある。
【００５０】
変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）の特徴は、ＡＣ電源（１０３，３０３，７０３，８０３）（一般にディーゼル発電機）から給電するときの動的な負荷変化を補償し、少なくとも１つのＤＣ出力（１２５，１２６，３２５，７２５，７２６，８２５）からの電流を適応的に増加させることである。動的な負荷変化を適応的に補償するときは、ＤＣ電源（１０１，１０２，３０１，７０１，７０２，８０１）から補助的なエネルギーを得て、ＡＣ電源（１０３，３０３，７０３，８０３）の周波数と電圧の安定性を適切に考慮して行う。動的な負荷変化をこのように適応的に補償するときは、ＤＣ電源から補助的に給電を行い、給電は（或る時間）両方の電源から行う。選択的であるが、両方の電源からの給電を複数の連続した期間行うことがある。これにより、より緩やかに負荷がＡＣ電源にかかり、変換器はＡＣ電源と負荷とを急に強制的に結合しない。これにより、過負荷のためにＡＣ電源の周波数や電圧などが変動するのを防ぐ。ＡＣ電源がディーゼル発電機の場合は、急に強制的に負荷と結合するのを避けることが大切である。なぜなら、過負荷になるとロータ電流が生じ、このためディーゼル発電機の周波数と電圧が不安定になり、最悪の場合は不安定のために自己振動が起こり、その結果停電することがあるからである。
【図面の簡単な説明】
本発明について、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【図１】
正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器を示す。
【図２】
正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器のランプイン・コースの曲線を示す。
【図３】
正の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器を示す。
【図４】
正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器のランプイン・コースの曲線を示す。
【図５】
正および負の出力電圧を持つ単相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器の過負荷コースの曲線を示す。
【図６】
正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器の過負荷コースの曲線を示す。
【図７】
共用のＤＣ電源を持つ３つの変換器で構成する、正および負の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器を示す。
【図８】
共用のＤＣ電源を持つ３つの変換器で構成する、正の出力電圧を持つ３相結合ＡＣ−ＤＣ／ＤＣ変換器を示す。

Claims

少なくとも１つの相を持つＡＣ電源（１０３，３０３，７０３，８０３）と選択的に結合しまた少なくとも１つのＤＣ電源（１０１，１０２，３０１，７０１，７０２，８０１）と選択的に結合する変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）であって、前記変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）は一度に少なくとも１つの電源から電力を受け、前記変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）は電源を切り替えるとき個々の電源と前記変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）とを接続または切断する制御可能な接触手段を含むことによりパルス信号を生成し、前記変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）は少なくとも１つのＤＣ出力（１２５，１２６，３２５，７２５，７２６，８２５）と接続する少なくとも１個のコイル（１１２，１１３，３１２）を含み、その特徴は、前記パルス信号を複数の期間に分割して或る期間中は前記接触手段により電源の切替えを行い、前記期間は少なくとも１つの第１の電源と少なくとも１つの第２の電源から交替に開始し、前記第１の電源からの電流パルスは前記第２の電源からの電流パルスに従って調節し、前記変換器は少なくとも１つのＤＣ出力（１２５，１２６，３２５，７２５，７２６，８２５）の電圧を調節する手段を含むことである、変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）。
前記ＡＣ電源（１０３，３０３）は単相ＡＣ電源であることと、少なくとも１つのＤＣ電源（１０１，１０２，３１０）を設けることとを特徴とする、請求項１記載の変換器（１００，３００）。
前記ＡＣ電源（７０３，８０３）は多相ＡＣ電源であることと、少なくとも１つのＤＣ電源（７０１，７０２，８０１）を設けることとを特徴とする、請求項１記載の変換器（７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）。
コイル（１１２，１１３，３１２）を通る電流を測定する電流検出器（１１４，１１５，３１４）からの信号に基づいて、制御回路（１０８，１０９，３０８）が前記コイル（１１２，１１３，３１２）の第２の端子とＤＣ電源（１０１，１０２，３０１，７０１，７０２，８０１）とをそれぞれ接続および切断する手段と前記コイル（１１２，１１３，３１２）の第２の端子と共通の基準点（１０４，３０４，７０４，８０４）とをそれぞれ接続および切断する手段とを有することと、前記コイル（１１２，１１３，３１２）の第２の端子が共通の基準点（１０４，３０４，７０４，８０４）に接続していないときは前記コイル（１１２，１１３，３１２）を通る電流は前記変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）のＤＣ出力（１２５，１２６，３２５，７２５，７２６，８２５）に流れることと、前記変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）はＡＣ電源（１０３，３０３，７０３，８０３）と前記コイル（１１２，１１３，３１２）の第１の端子とをそれぞれ接続および切断する手段とを有することとを特徴とする、請求項１−３の少なくとも１つに記載の変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）。
少なくとも１つの変換器（３００）を用いて、共通の基準点（１０４，７０４）に対して正のＤＣ出力（１２５，７２５）を形成しまた少なくとも１つの変換器を用いて共通の基準点（１０４，７０４）に対して負のＤＣ出力（１２６，７２６）を形成することを特徴とする、請求項１−４の少なくとも１つに記載の変換器（１００，７００，７４０，７８０）。
共通の基準点（１０４，７０４）に対して正の出力電圧を形成するのに用いる変換器（３００）と負の出力電圧を形成するのに用いる変換器とが前記ＡＣ電源（１０３，７０３）をそれぞれ共用することを特徴とする、請求項５記載の変換器（１００，７００，７４０，７８０）。
コイル（１１２，１１３，３１２）の第１の端子とＤＣ電源（１０１，１０２，３０１，７０１，７０２，８０１）とをそれぞれ接続および切断する手段は制御可能なスイッチ（１０６，１０７，３０６）であることと、前記制御可能なスイッチ（１０６，１０７，３０６）は１つ置きの半周期の少なくとも一部の間接続するよう調節することができることを特徴とする、請求項４−６の少なくとも１つに記載の変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）。
コイル（１１２，１１３，３１２）の第２の端子と共通の基準点（１０４，３０４，７０４，８０４）とをそれぞれ接続および切断する手段は制御可能なスイッチ（１１０，１１１，３１０）であることと、前記制御可能なスイッチ（１１０，１１１，３１０）は１つ置きの半周期の少なくとも一部の間接続するよう調節することができることと、前記制御可能なスイッチ（１１０，１１１，３１０）は一般にバースト・シリーズで接続することとを特徴とする、請求項４−７の少なくとも１つに記載の変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）。
電界効果トランジスタ、バイポーラ・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、ゲート・ターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯ）、注入強化ゲート・トランジスタ（ＩＥＧＴ）の中の少なくとも１つのタイプで構成する半導体を制御可能なスイッチ（１０６，１０７，１１０，１１１，３０６，３１０）として用いることを特徴とする、請求項４−８の少なくとも１つに記載の変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）。
過負荷状態において、前記ＡＣ電源（１０３，３０３，７０３，８０３）からの電流を一定の最大値に制限し、補助的なエネルギーを前記ＤＣ電源（１０１，１０２，３０１，７０１，７０２，８０１）から供給することを特徴とする、請求項１−９の少なくとも１つに記載の変換器（１００，３００，７００，７４０，７８０，８００，８４０，８８０）。