JP2005229666A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低損失かつ高効率で入力電圧の広範囲の変動に対して補償可能であり、小形化、低価格化が可能な無停電電源装置を提供する。
【解決手段】交流スイッチ４１または４２をオンして一対の単相交流入力端子に加えられる交流電源の電圧変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａの動作によりトランス１１を介して電源電圧変動分を補償すると共に、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５の動作によりＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａと交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、交流スイッチをオフした状態で蓄電池３の電力をＤＣ／ＡＣ変換器２５により交流電力に変換して負荷に供給する無停電電源装置において、前記トランス１１は、極性を切り替えるためのタップを備えると共に、交流スイッチ４１，４２を、タップ切替用の交流スイッチ４１，４２を並列に接続して構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、交流入力電源が変動した場合でも、負荷に安定した電圧を供給可能とした無停電電源装置に関し、詳しくは、ラインインタラクティブ方式の無停電電源装置において、その損失を低減して高効率化を図るための技術に関するものである。

図１０は、この種の無停電電源装置の従来技術を示す回路図である。
図１０において、単相交流電源に接続される交流入力端子ｕと交流出力端子Ｕとの間の交流母線には、２個の半導体スイッチング素子を逆並列接続した交流スイッチ４を介してトランス１の二次巻線１ｂが直列に接続され、その一次巻線１ａの両端にはフィルタ用コンデンサ７が接続されていると共に、半導体ブリッジ２０，２１からなる第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の交流側端子が接続されている。ここで、半導体ブリッジ２０，２１は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続して構成されている。

上記ＤＣ／ＡＣ変換器２４と直流部を共通にして、半導体ブリッジ２２，２３からなる第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５が設けられており、これらの半導体ブリッジ２２，２３も半導体スイッチング素子と還流ダイオードとの逆並列回路を２個直列に接続して構成されている。第１、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の直流部には、直流電力貯蔵手段としての蓄電池３が接続されており、この蓄電池３は交流電源の健全時に第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４を介して充電可能となっている。

また、ＤＣ／ＡＣ変換器２５の交流側端子は、リアクトル６を介して交流出力端子Ｕ，Ｖに接続され、これらの交流出力端子Ｕ，Ｖ間には、フィルタ用コンデンサ８が接続されている。
なお、図示されていないが、交流入力電圧及び交流出力電圧を検出し、これらの電圧に応じてＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５の各半導体ブリッジ２０〜２３をオン、オフ制御するための制御回路が設けられている。

このような回路構成の無停電電源装置は、常時商用給電方式に電圧変動を抑制する機能を付加したラインインタラクティブ方式として知られており、交流スイッチ４をオンにした状態で交流入力端子ｕ，ｖに接続される入力商用電源の電圧が変動した場合、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４の制御によりトランス１の一次側電圧の調節が可能であるため、入力商用電源の電圧変動分をこのトランス１の二次側電圧で補償することにより、交流出力端子Ｕ，Ｖに安定した電圧を供給することが可能になる。

例えば、入力商用電源の変動が電圧低下であれば、トランス１では電圧加算で負荷電流を流すために電力を注入することになり、そのエネルギーは、ＤＣ／ＡＣ変換器２５をコンバータ動作（整流器動作）させることで交流母線から供給される。逆に、入力商用電源の変動が電圧上昇であれば、トランス１では電圧減算で負荷電流を流すため、電力を吸収することになり、そのエネルギーは、ＤＣ／ＡＣ変換器２５をインバータ動作させることで、交流母線に回生される。

図１１は、入力電圧が正常な期間、低下した期間、上昇した期間のトランス１の二次側電圧及び交流出力端子Ｕ，Ｖの出力電圧を示したものであり、入力電圧低下期間におけるトランス１の電力注入動作、入力電圧上昇期間における電力吸収動作により、出力電圧が一定に保たれる様子を示している。

また、入力商用電源の停電時には、交流スイッチ４をオフして商用電源を交流母線から切り離し、蓄電池３の直流電力をＤＣ／ＡＣ変換器２５により交流に変換して負荷に安定した交流電力を供給する。
このような無停電電源装置の詳細な動作については、後述する特許文献１の“ACTIVE POWER CONDITIONER SYSTEM”や、特許文献２の「非常用電源装置」に開示されている。

さて、この種の無停電電源装置では、装置効率の向上が大きな課題となっている。
図１０に示す従来技術において、入力商用電源が停電となる前の電圧変動補償範囲を一般的な無停電電源装置に要求されている範囲である１５％以上を想定して２０％と設定すると、トランス１の変圧比（二次巻線１ｂと一次巻線１ａとの巻数比）は約１：５となり、その容量は装置容量の約２５％となる。この時の各部の電圧、電流の関係図を図１２に示す。

図１２において、単相交流出力端子Ｕ，Ｖにおける出力電圧Ｖ_ｏｕｔ及び出力電流Ｉ_ｏｕｔをそれぞれ１００％とし、単相交流入力端子ｕ，ｖにおける商用入力電圧Ｖ_ｉｎが８０％の場合を想定すると、装置の効率を無視すれば、交流入力端子における商用入力電流Ｉ_ｉｎは入力電力＝出力電力の関係から１２５％となる。ここでは、入力電圧Ｖ_ｉｎが８０％であるため、トランス１で電圧２０％を加算し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが１００％になるように動作させる。この時、トランス１では、電流１２５％×電圧２０％＝電力２５％の電力加算となる。

また、トランス１の巻数比は１：５であるから、ＤＣ／ＡＣ変換器２４に流れる交流電流（トランス１の一次巻線１ａの電流）Ｉ_ｃ１は１２５％／５＝２５％となる。更に、トランス１及びＤＣ／ＡＣ変換器２４により交流母線に注入した電力２５％を補うために、ＤＣ／ＡＣ変換器２５でも２５％の電力を交流母線から吸収する必要があるので、ＤＣ／ＡＣ変換器２５には電力２５％／電圧１００％＝電流２５％に相当する交流電流Ｉ_ｃ２が流れることになる。

ここで、ＤＣ／ＡＣ変換器２４，２５のような半導体スイッチング素子からなるインバータの変換効率は、約９６％程度が一般的である。そこで、半導体ブリッジ２０〜２３では、各々の変換電力の約２％ずつの損失が発生すると仮定する。また、トランス１の効率は、一般的にはそのトランス容量に対して約９８％程度である。

以上を考慮して、図１０及び図１２の従来技術における装置効率を見積もると、
・トランス１の損失は、
トランス容量２５％×トランス損失率（１００％−９８％）＝０．５％
・半導体ブリッジ２０〜２３の損失は、
変換電力２５％×損失率（１００％−９８％）×４ブリッジ＝２％
これら両者を合計すると、（０．５％＋２．０％）＝２．５％となり、装置全体の効率は９７．５％となる。
以上のように、図１０の従来技術では装置効率が約９７．５％程度であり、その回路構成本来の特性から一層の高効率化は困難である。

一方、図１０と同様に、直流電力貯蔵装置と負荷装置との間に接続される第１の変換器と、前記電力貯蔵装置を共通にする第２の変換器とを備え、この第２の変換器の交流出力をトランスを介して交流出力線に結合するようにした無停電電源装置が、特許文献３に記載されている。
この従来技術では、電源正常時に、電源スイッチを閉じて第２の変換器によりその出力電圧と電源電圧との和が一定になるように制御すると共に、第１の変換器を、第２の変換器と電力貯蔵装置に電力を供給し、かつ、負荷装置が必要とする無効電流を供給するように制御し、電源電圧低下時には、電源スイッチを開いて第１の変換器を負荷装置への印加電圧が一定になるように制御するものである。

また、交流電源と負荷との間に切り離しスイッチを介して変圧器の一次側が直列に接続され、変圧器の二次側にインバータ及び双方向性コンバータからなる変換器が接続されると共に、前記コンバータの交流側が負荷に接続され、更に、前記変換器の直流リンク部に昇降圧部を介して蓄電手段が接続されてなる無停電電源装置が、特許文献４に記載されている。
この従来技術では、交流電源電圧が規定電圧から変動した場合に前記変換器内のインバータの動作により補助電圧が生成され、この補助電圧を変圧器により変圧して交流電源電圧に加算することにより、負荷への印加電圧を一定に保っている。また、停電時には、蓄電手段の電圧を昇高圧部により昇圧し、双方向性コンバータを介して負荷に所定の交流電圧を供給する。

米国特許第４６５１２６５号明細書 特許第３３９００７号公報 特開平１１−１７８２１６号公報（請求項１、図２等） 特開２００２−１９９６２０号公報（請求項２、図５等）

図１０や特許文献１，２に記載された従来技術ではより一層の低損失化、高効率化が求められており、また、特許文献３，４に記載された従来技術においても、入力電圧補償範囲の更なる拡大や電力変換器の構成を一層簡略化する点で改善の余地があった。
そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、低損失かつ高効率であって入力電圧の広範囲の変動に対して補償可能であり、しかも小形化、低価格化が可能な無停電電源装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、一方の単相交流入力端子と一方の単相交流出力端子との間の交流母線に交流スイッチを介して直列に接続されたトランスと、このトランスに交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１及び第２の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、一対の単相交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第３の半導体ブリッジと前記第２の半導体ブリッジとを並列接続して構成された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、を備え、
前記交流スイッチをオンして一対の単相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により一対の単相交流出力端子を介して負荷に供給する無停電電源装置において、
前記トランスは、極性を切り替えるためのタップを備え、前記交流スイッチは、前記タップを切り替えるための第１及び第２の交流スイッチを並列に接続してなるものである。

請求項２に記載した発明は、一方の単相交流入力端子と一方の単相交流出力端子との間の交流母線に交流スイッチを介して直列に接続されたトランスと、このトランスに交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１及び第２の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、一対の単相交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個のコンデンサの直列回路からなるコンデンサブリッジと前記第２の半導体ブリッジとを並列接続して構成されたハーフブリッジ形の第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、を備え、
前記交流スイッチをオンして一対の単相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により一対の単相交流出力端子を介して負荷に供給するものである。

請求項３に記載した発明は、一方の単相交流入力端子と一方の単相交流出力端子との間の交流母線に交流スイッチを介して直列に接続されたトランスと、このトランスに交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１及び第２の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、一対の単相交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個のコンデンサの直列回路からなるコンデンサブリッジと前記第２の半導体ブリッジとを並列接続して構成されたハーフブリッジ形の第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、を備え、
前記交流スイッチをオンして一対の単相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により一対の単相交流出力端子を介して負荷に供給する無停電電源装置において、
前記トランスは、極性を切り替えるためのタップを備え、前記交流スイッチは、前記タップを切り替えるための第１及び第２の交流スイッチを並列に接続してなるものである。

請求項４に記載した発明は、三相交流入力端子と三相交流出力端子との間の交流母線にそれぞれ交流スイッチを介して直列に接続された各相のトランスと、これらのトランスに各相の交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１〜第６の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、三相交流出力端子に各相の交流端子がそれぞれ接続された前記第４〜第６の半導体ブリッジの並列接続回路を有する第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、を備え、
前記交流スイッチをオンして三相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により三相交流出力端子を介して負荷に供給する無停電電源装置において、
前記トランスは、極性を切り替えるためのタップを備え、前記交流スイッチは、前記タップを切り替えるための第１及び第２の交流スイッチをそれぞれ並列に接続してなるものである。

請求項５に記載した発明は、三相交流入力端子と三相交流出力端子との間の交流母線にそれぞれ交流スイッチを介して直列に接続された非絶縁形単巻トランスと、これらのトランスに各相の交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１〜第６の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、三相交流出力端子に各相の交流端子がそれぞれ接続された前記第４〜第６の半導体ブリッジの並列接続回路を有する第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、を備え、
前記交流スイッチをオンして三相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により三相交流出力端子を介して負荷に供給する無停電電源装置において、
前記トランスは、極性を切り替えるためのタップを備え、前記交流スイッチは、前記タップを切り替えるための第１及び第２の交流スイッチをそれぞれ並列に接続してなるものである。

本発明によれば、単相または三相交流入力電圧の変動を補償するためのトランスを駆動する第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、この第１のＤＣ／ＡＣ変換器と交流母線との間で電力を授受する第２のＤＣ／ＡＣ変換器とにおいて、回路の一部を共用することにより変換電力を相殺させ、減少させることができ、これによって従来よりも損失を低減することができる。更に、前記トランスにタップを設けることにより、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の負担を増やすことなく入力電圧の補償範囲を拡大し、広範囲の電圧変動を抑制することが可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は各実施形態の基本となる回路構成図である。従来技術である図１０との相違点を中心に説明すると、図１では、図１０においてＤＣ／ＡＣ変換器２４を構成していた半導体ブリッジ２０を削除し、その代わりに、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５を構成する半導体ブリッジ２２と半導体ブリッジ２１とによって第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａを構成している。すなわち、半導体ブリッジ２２は、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａ，２５の構成要素を兼用している。

なお、トランス１の一次巻線１ａの一端はリアクトル５を介して半導体ブリッジ２１の内部接続点（ＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａの一方の交流端子）に接続され、一次巻線１ａの他端はリアクトル６を介して半導体ブリッジ２２の内部接続点（ＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａの他方の交流端子）に接続されている。
他の回路構成は図１０と同一であり、図示されていない制御回路の機能も同一である。

このような回路構成において、単相の入力商用電源が停電となる前の電圧変動補償範囲を２０％と設定した場合の電圧、電流の関係図を図２に示す。
従来技術の図１２と同様に、図２においても、単相交流出力端子Ｕ，Ｖにおける出力電圧Ｖ_ｏｕｔ及び出力電流Ｉ_ｏｕｔをそれぞれ１００％とし、単相交流入力端子ｕ，ｖにおける商用入力電圧Ｖ_ｉｎが８０％の場合を想定すると、装置の効率を無視すれば、交流入力端子ｕにおける商用入力電流Ｉ_ｉｎは入力電力＝出力電力の関係から１２５％となる。

ここで、入力電圧Ｖ_ｉｎが８０％であるため、交流スイッチ４をオンにした状態でトランス１により電圧２０％を加算し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが１００％になるように動作させる。この時、トランス１においては、電流１２５％×電圧２０％＝電力２５％の電力加算となる。
また、トランス１の巻数比は従来と同様に１：５であるから、ＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａに流れる電流Ｉ_ｃ１は１２５％／５＝２５％となる。また、トランス１及びＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａにより交流母線に注入した電力２５％を補うため、ＤＣ／ＡＣ変換器２５でも２５％の電力を交流母線から吸収する必要があるため、ＤＣ／ＡＣ変換器２５の電流Ｉ_ｃ２は電力２５％／電圧１００％＝電流２５％が流れることになる。

このとき、半導体ブリッジ２２に流れる電流は、ＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａとして放出するＩ_ｃ１＝２５％の電流とＤＣ／ＡＣ変換器２５として吸収するＩ_ｃ２＝２５％の電流とが重なり合って相殺し、理想的には０％となる。

以上から、図１及び図２における装置効率を見積もると、
・トランス１の損失は、
トランス容量２５％×トランス損失率（１００％−９８％）＝０．５％
・半導体ブリッジ２１，２３の損失は、
変換電力２５％×損失率（１００％−９８％）×２ブリッジ＝１％
これら両者を合計すると、（０．５％＋１．０％）＝１．５％となり、装置全体の効率は９８．５％となる。従って、図１０及び図１２の従来技術に対し、効率で約１％向上すると共に、損失で見ると、（１．５％／２．５％）＝６０％に低減することが可能になる。

なお、入力商用電源が停電した場合の動作は従来技術と同様であり、交流スイッチ４を開放して商用電源を交流母線から切り離し、蓄電池３の直流電力をＤＣ／ＡＣ変換器２５により交流に変換して負荷に安定した交流電力を供給するものである。

次に、上述した図１及び図２の構成を基本として、以下に本発明の実施形態を説明する。
図３は、請求項１に相当する本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。図１と異なる部分を説明すると、単相交流入力端子ｕと単相交流出力端子Ｕとの間の交流母線には、タップを有するトランス１１の二次巻線１ｂが直列に接続されており、この二次巻線１ｂのタップは交流入力端子ｕとの間に接続された二つの交流スイッチ４１，４２により切替可能となっている。他の構成は図１と同様である。なお、交流スイッチ４１，４２は何れもサイリスタを逆並列接続して構成されているが、他の半導体スイッチング素子を用いても良い。

この実施形態においても、半導体ブリッジ２２がＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａ，２５の構成要素を兼用しており、電源電圧の変動が生じた場合の電力の放出、吸収動作に伴う電流が相殺されて理想的には０％となるため、装置の高効率化、損失低減が可能になると共に、部品数の減少による小形化、低価格化が可能である。
また、電源電圧の変動に合わせて交流スイッチ４１，４２を適宜切り替えることにより、トランス１１の二次巻線１ｂのタップを切り替えてその極性を変えることができるので、図１の回路に対して損失の増加なしで電源電圧の変動補償範囲を広くすることができる。

更に、電源電圧が正常範囲にあり、トランス１１を用いた電圧加算や減算の必要がない場合には、交流スイッチ４１，４２の双方を導通状態にしてトランス１１を短絡状態にすることにより、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａに流入（または流出）する電流を０とすることができ、より一層の高効率化を図ることができる。

次に、図４は請求項２に相当する本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。図１との相違点は、半導体ブリッジ２３の代わりに２個のコンデンサの直列回路からなるコンデンサブリッジ２６を用いた点にあり、このコンデンサブリッジ２６及び半導体ブリッジ２２によっていわゆるハーフブリッジ形のＤＣ／ＡＣ変換器２５Ａを構成した点である。
このような回路構成において、入力商用電源が停電となる前の電圧変動補償範囲を２０％に設定した場合の電圧、電流の関係図を図５に示す。

図４及び図５の回路では、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５Ａがハーフブリッジ形変換器であることから、その直流部電圧を図１や図３の例に比べて２倍に設定する必要がある。このため、第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａがトランス１に印加できる電圧も２倍になるため、トランス１の巻数比を１：１０に設定して一次側の電流を小さくすることができる。

そこで、図２と同様に、図５においても単相交流出力端子Ｕ，Ｖにおける出力電圧Ｖ_ｏｕｔ及び出力電流Ｉ_ｏｕｔをそれぞれ１００％とし、単相交流入力端子ｕ，ｖにおける商用入力電圧Ｖ_ｉｎが８０％の場合を想定すると、装置の効率を無視すれば、交流入力端子ｕにおける商用入力電流Ｉ_ｉｎは入力電力＝出力電力の関係から１２５％となる。
ここで、入力電圧Ｖ_ｉｎが８０％であるため、トランス１により電圧２０％を加算し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが１００％になるように動作させる。この時、トランス１では、電流１２５％×電圧２０％＝電力２５％の電力加算となる。

また、トランス１の巻数比は１：１０であるから、ＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａに流れる電流Ｉ_ｃ１は１２５％／１０＝１２．５％となる。更に、トランス１及びＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａにより交流母線に注入した電力２５％を補うため、ＤＣ／ＡＣ変換器２５Ａでも２５％の電力を交流母線から吸収する必要がある。従って、ＤＣ／ＡＣ変換器２５Ａには、電力２５％／電圧１００％＝電流２５％の電流Ｉ_ｃ２が流れることになる。

このため、半導体ブリッジ２２に流れる電流は、ＤＣ／ＡＣ変換器２４Ａとして放出するＩ_ｃ１＝１２．５％の電流とＤＣ／ＡＣ変換器２５Ａとして吸収するＩ_ｃ２＝２５％の電流とが重なり合って相殺し、理想的には１２．５％となる。
ここで、一般的にハーフブリッジ形ＤＣ／ＡＣ変換器は、フルブリッジ形ＤＣ／ＡＣ変換器と比べて、必要となる直流部電圧が２倍になるため、半導体ブリッジ側での損失率は２倍の約４％となるが、コンデンサブリッジにおける損失は半導体ブリッジに比べて十分に小さいため、全体での効率は同等の約９６％になるといえる。

以上から、図４及び図５の第２実施形態における装置効率を見積もると、
・トランス１の損失は、
トランス容量２５％×トランス損失率（１００％−９８％）＝０．５％
・半導体ブリッジ２１の損失は、
変換電力１２．５％×損失率（１００％−９６％）＝０．５％
・半導体ブリッジ２２の損失は、
変換電力１２．５％×損失率（１００％−９６％）＝０．５％
これらを合計すると、装置全体の損失は（０．５％＋０．５％＋０．５％）＝１．５％となり、図１の例と同様に装置全体の効率は９８．５％となる。従って、図１０及び図１２の従来技術に対して効率では約１％向上すると共に、損失を６０％に低減することが可能になる。

更に、図６は請求項３に相当する本発明の第３実施形態を示す回路構成図である。
この実施形態は、図３のＤＣ／ＡＣ変換器２５を図４のハーフブリッジ形のＤＣ／ＡＣ変換器２５Ａに置き換えたものである。
本実施形態においても、第２実施形態と同様にハーフブリッジ形のＤＣ／ＡＣ変換器２５Ａを用いることにより損失の低減、効率の向上が可能であると共に、第１実施形態と同様に交流スイッチ４１，４２を用いたトランス１１の二次巻線１ｂのタップ切替により電源の変動補償範囲を広くすることができる。

次いで、図７は請求項４に相当する本発明の第４実施形態を示す回路構成図である。
この実施形態は、単相電源に対する図６の構成を三相分用いて、これらを三相交流入力端子ｕ，ｖ，ｗと三相交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に接続したものである。
すなわち、第１〜第３の半導体ブリッジ２１１〜２１３及び第４〜第６の半導体ブリッジ２２１〜２２３により第１のＤＣ／ＡＣ変換器２４０が構成され、第４〜第６の半導体ブリッジ２２１〜２２３及びコンデンサブリッジ２６０により第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５０が構成されている。ここで、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４０，２５０は直流部が共通であり、また、第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５０は、直流部及びコンデンサブリッジ２６０を共通とする単相のハーフブリッジ形ＤＣ／ＡＣ変換器を３台並列接続した三相のＤＣ／ＡＣ変換器と考えることができる。

なお、図７において、４１１〜４１３，４２１〜４２３は交流スイッチ、１１１〜１１３は二次巻線にタップを有するトランス、７０１〜７０３，８０１〜８０３はフィルタ用コンデンサ、５０１〜５０３，６０１〜６０３はフィルタ用リアクトルである。
この実施形態の動作は、第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器２４０，２５０が直流／三相交流変換を行い、ＤＣ／ＡＣ変換器２４０によりトランス１１１〜１１３を介して三相の各相ごとに電圧変動を補償する以外は図６と同様であるため、詳述を省略する。

図８は、本発明の第５実施形態を示す回路構成図であり、この実施形態も請求項４の発明に相当する。この実施形態が図７と異なるのは、図７における第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５０内のコンデンサブリッジ２６０を除去して第４〜第６の半導体ブリッジ２２１〜２２３のみにより第２のＤＣ／ＡＣ変換器２５０Ａを構成した点である。

一般的に、図７に示したごとく三相交流電源に接続され、かつ直流部を共通とする単相のハーフブリッジ形ＤＣ／ＡＣ変換器３台は、１台の三相フルブリッジ形ＤＣ／ＡＣ変換器と原理的に同等になるため、コンデンサブリッジ２６０を省略して半導体ブリッジ２２１〜２２３のみによってＤＣ／ＡＣ変換器２５０Ａを構成することが可能となる。
従ってこの実施形態によれば、第４実施形態に比べて部品数の減少させることができる。

更に、図９は請求項５に相当する本発明の第６実施形態を示す回路構成図である。
図８との相違点は、図８におけるトランス１１１〜１１３の代わりに非絶縁形単巻トランス１２１〜１２３を用いた点であり、他の構成要素は図６と同様である。
この実施形態では、交流スイッチ４１１〜４１３，４２１〜４２３の各一端、及び、ＤＣ／ＡＣ変換器２４０，２５０Ａの各交流端子が、それぞれ単巻トランス１２１〜１２３の巻線に接続されており、交流スイッチ４１１〜４１３，４２１〜４２３の動作によって単巻トランス１２１〜１２３の極性を切替可能である。

第１〜第５実施形態の何れにおいても、トランスの一次巻線と二次巻線の一端を接続して非絶縁として用いているため、図９のように各相について非絶縁形単巻トランス１２１〜１２３を用いても何ら問題はなく、これによって装置の小形化を図ることができる。
よって本実施形態のように非絶縁形単巻トランスを用いる着想は、第１〜第５実施形態の何れにも適用可能である。

本発明の実施形態の基本となる回路構成図である。 図１０における電圧、電流等の関係図である。 本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。 図４における電圧、電流等の関係図である。 本発明の第３実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第４実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第５実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第６実施形態を示す回路構成図である。 従来技術を示す回路図である。 図１０の動作波形図である。 図１０における電圧、電流等の関係図である。

符号の説明

１，１１，１１１〜１１３，１２１〜１２３：トランス
１ａ：一次巻線
１ｂ：二次巻線
２０〜２３，２１１〜２１３，２２１〜２２３：半導体ブリッジ
２４，２４Ａ，２５，２５Ａ，２４０，２５０，２５０Ａ：ＤＣ／ＡＣ変換器
２６：コンデンサブリッジ
３：蓄電池
４，４１，４２，４１１〜４１３，４２１〜４２３：ＡＣスイッチ
５，６，５０１〜５０３，６０１〜６０３：リアクトル
７，８，７０１〜７０３，８０１〜８０３：コンデンサ
ｕ，ｖ，ｗ：交流入力端子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：交流出力端子

Claims (5)

1. 一方の単相交流入力端子と一方の単相交流出力端子との間の交流母線に交流スイッチを介して直列に接続されたトランスと、
   このトランスに交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１及び第２の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   一対の単相交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第３の半導体ブリッジと前記第２の半導体ブリッジとを並列接続して構成された第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、
   を備え、
   前記交流スイッチをオンして一対の単相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により一対の単相交流出力端子を介して負荷に供給する無停電電源装置において、
   前記トランスは、極性を切り替えるためのタップを備え、前記交流スイッチは、前記タップを切り替えるための第１及び第２の交流スイッチを並列に接続してなることを特徴とする無停電電源装置。
2. 一方の単相交流入力端子と一方の単相交流出力端子との間の交流母線に交流スイッチを介して直列に接続されたトランスと、
   このトランスに交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１及び第２の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   一対の単相交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個のコンデンサの直列回路からなるコンデンサブリッジと前記第２の半導体ブリッジとを並列接続して構成されたハーフブリッジ形の第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、
   を備え、
   前記交流スイッチをオンして一対の単相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により一対の単相交流出力端子を介して負荷に供給することを特徴とする無停電電源装置。
3. 一方の単相交流入力端子と一方の単相交流出力端子との間の交流母線に交流スイッチを介して直列に接続されたトランスと、
   このトランスに交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１及び第２の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   一対の単相交流出力端子に交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個のコンデンサの直列回路からなるコンデンサブリッジと前記第２の半導体ブリッジとを並列接続して構成されたハーフブリッジ形の第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、
   を備え、
   前記交流スイッチをオンして一対の単相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により一対の単相交流出力端子を介して負荷に供給する無停電電源装置において、
   前記トランスは、極性を切り替えるためのタップを備え、前記交流スイッチは、前記タップを切り替えるための第１及び第２の交流スイッチを並列に接続してなることを特徴とする無停電電源装置。
4. 三相交流入力端子と三相交流出力端子との間の交流母線にそれぞれ交流スイッチを介して直列に接続された各相のトランスと、
   これらのトランスに各相の交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１〜第６の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   三相交流出力端子に各相の交流端子がそれぞれ接続された前記第４〜第６の半導体ブリッジの並列接続回路を有する第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、
   を備え、
   前記交流スイッチをオンして三相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により三相交流出力端子を介して負荷に供給する無停電電源装置において、
   前記トランスは、極性を切り替えるためのタップを備え、前記交流スイッチは、前記タップを切り替えるための第１及び第２の交流スイッチをそれぞれ並列に接続してなることを特徴とする無停電電源装置。
5. 三相交流入力端子と三相交流出力端子との間の交流母線にそれぞれ交流スイッチを介して直列に接続された非絶縁形単巻トランスと、
   これらのトランスに各相の交流端子がそれぞれ接続され、かつ、２個の半導体スイッチング素子の直列回路からなる第１〜第６の半導体ブリッジを並列接続して構成された第１のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   三相交流出力端子に各相の交流端子がそれぞれ接続された前記第４〜第６の半導体ブリッジの並列接続回路を有する第２のＤＣ／ＡＣ変換器と、
   第１，第２のＤＣ／ＡＣ変換器の共通の直流部に接続された直流電力貯蔵手段と、
   を備え、
   前記交流スイッチをオンして三相交流入力端子に加えられる電源電圧の変動時に、第１のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により前記トランスを介して前記電圧変動分を補償すると共に第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により第１のＤＣ／ＡＣ変換器と前記交流母線との間で電力を授受し、交流電源の停電時に、前記交流スイッチをオフした状態で前記直流電力貯蔵手段の電力を第２のＤＣ／ＡＣ変換器の動作により三相交流出力端子を介して負荷に供給する無停電電源装置において、
   前記トランスは、極性を切り替えるためのタップを備え、前記交流スイッチは、前記タップを切り替えるための第１及び第２の交流スイッチをそれぞれ並列に接続してなることを特徴とする無停電電源装置。

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