JP2008199819A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ(B)が取外された場合や、B端子電圧が所定の電圧より低い場合などの異常時においても、確実に起動させることができる無停電電源装置を提供する。
【解決手段】無停電電源装置において、商用電源1と負荷2との間に直列接続された常閉の第１開閉器(SW)3と常開の第２SW4と、停電時に第１SWを開路させた後、第２SWを閉路してBの直流電力を交流電力に変換する電力変換装置(P)5とを備え、Pは、常時は直流電圧を所定の直流電圧に降圧してBを充電し、停電時はBの直流電圧を昇圧させて出力する第１P5bと、常時は商用電源の交流電圧を直流電圧に変換して第１Pに供給し、停電時は第１Pの直流出力を所定の交流電圧に変換して負荷に給電する第２P5cと、第１、第２Pからの直流電圧によって動作し、第１、第２Pと第１、第２SWを制御する制御回路5dと、起動時に操作され、第１Pを動作させる起動手段5eとを備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、常時は商用電源から負荷に交流電力を給電すると共に、前記交流電力を直流電力に変換してバッテリーを充電し、前記商用電源の停電時は前記バッテリーの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に給電する無停電電源装置に関するものである。

従来の無停電電源装置は、商用電源と負荷との間に挿入している直送スイッチの負荷側に、バッテリーからの直流電力を所望電圧の直流電力に変換するチョッパーと、チョッパーから出力された直流電力をインバータに供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータの直流電力を交流電力に変換して負荷に給電するインバータとを備え、常時（停電していない正常時、以下、同じ）は直送スイッチを閉路して商用電源から負荷へ電力を供給し、商用電源の停電時には直送スイッチを開路してバッテリーの直流電力を前記チョッパー、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータによって交流電力に変換して負荷に供給するようにしている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１０９６２７号公報

従来の無停電電源装置は以上のように構成され、バッテリーの電力により制御回路を動作させているので、バッテリーが取り外された場合やバッテリー端子電圧が低い場合などの異常時には装置を起動できないという問題点があった。

この発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、バッテリーが取り外された場合や、バッテリー端子電圧が所定の電圧より低い場合などの異常時においても、確実に起動させることができる無停電電源装置を提供することを目的とする。

この発明に係る無停電電源装置は、常時は商用電源から負荷に交流電力を給電すると共に、前記交流電力を直流電力に変換してバッテリーを充電し、前記商用電源の停電時は前記バッテリーの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に給電するようにした無停電電源装置において、前記商用電源と負荷との間に直列接続され、前記商用電源側に接続された常閉の第１開閉器と前記負荷側に接続された常開の第２開閉器と、停電時に前記第１開閉器を開路させた後、前記第２開閉器を閉路して前記バッテリーの直流電力を交流電力に変換する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置は、常時は直流電圧を所定の直流電圧に降圧して前記バッテリーを充電し、停電時は前記バッテリーの直流電圧を昇圧させて出力する第１電力変換器と、常時は前記商用電源の交流電圧を前記第１開閉器を経て入力し、直流電圧に変換して前記第１電力変換器に供給し、停電時は前記第１電力変換器の直流電圧出力を所定の交流電圧に変換して前記第２開閉器を経て前記負荷に給電する第２電力変換器と、前記第１または第２電力変換器からの直流電圧によって動作し、前記第１及び第２電力変換器と第１及び第２開閉器を制御する制御回路と、起動時に操作され、前記第１電力変換器を動作させると共に、前記第１電力変換器の直流出力によって前記制御回路を動作させる起動手段とを備えたものである。

この発明の無停電電源装置は上記のように構成されており、停電時における起動の際に操作され、第１電力変換器を動作させると共に、第１電力変換器の直流出力によって制御回路を起動させ、起動指令を発する起動手段を備えているので、バッテリーの正常時はバッテリーを電源として制御回路と起動手段が動作する結果、無停電電源装置を確実に起動させることができる。また、バッテリーが取り外された場合またはバッテリーが劣化した場合などの異常時においては、商用電源から第１開閉器を介して第１電力変換器から、制御回路と起動手段に電源が供給され、無停電電源装置を起動させることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による無停電電源装置の構成を示すブロック図、図２及び図３は、図１における第１電力変換器、第２電力変換器の詳細構成を示す回路図、図４及び図５は、実施の形態１の動作を説明するためのフローチャートである。

図１において、無停電電源装置１００は、入力端子６が商用電源１に接続され、出力端子７は負荷２へ接続されている。入力端子６と出力端子７との間には直列接続された２個の開閉器が接続され、入力端子６側に第１開閉器３が、出力端子７側に第２開閉器４が接続されている。第１開閉器３は常時閉路している常閉形であり、後述の制御回路５ｄから制御信号が入力された時に開路する(一般的にb接点仕様と呼ばれる)ようにされている。

また、商用電源１の停電時においても負荷２に電力を継続して供給するために、商用電源１と並列に電力変換装置５が設けられている。この電力変換装置５は直流電力を充放電するバッテリー５ａと、商用電源１の停電時にバッテリー５ａの直流電圧(例えば２４Ｖ)を所定の直流電圧(例えば１００Ｖ)に昇圧し、常時は後述の第２電力変換器５ｃから出力された直流電圧(例えば１００Ｖ)を所定の直流電圧(例えば２４Ｖ)に降圧しバッテリー５ａを充電する第１電力変換器５ｂと、商用電源１の停電時に第１電力変換器５ｂの直流電圧を交流電圧に変換して第２開閉器４を介して負荷７に給電し、常時は商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換して第１電力変換器５ｂに供給する第２電力変換器５ｃと、第１または第２電力変換器の直流出力を受けて動作し、第１電力変換器５bや第２電力変換器５ｃを制御すると共に、第１開閉器３の開閉及び第２開閉器４の開閉を制御する制御回路５ｄと、起動時にバッテリー５ａまたは第１電力変換器５ｂから電源の供給を受けて制御回路５ｄに起動処理を行わせる起動手段５ｅとで構成されている。

図２は、図１に示された第１電力変換器５ｂの詳細構成を示す回路図である。この図に示されるように、第１電力変換器５ｂはリアクトル３０及びＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ３１、３２と、これらのスイッチにそれぞれ逆並列接続されたダイオード３３、３４とで構成されており、入力端子に接続されたバッテリー５ａの電圧はこの回路によって昇圧されて出力端子から出力される。

また、図３は、図１に示された第２電力変換器５ｃの詳細構成を示す回路図である。この図に示されるように、第２電力変換器５ｃは単相ブリッジ接続された例えばＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ２０乃至２３と、各スイッチに逆並列接続された寄生ダイオード２４乃至２７から構成されており、常時は負荷側から入力される商用電源１の交流電力を交流−直流変換して直流電力を第１変換器側に出力し、商用電源１の停電時には第１変換器側から入力される直流電力を直流−交流変換して負荷側に交流電力を出力するように電力変換動作を行うようにされている。

次に、実施の形態１による無停電電源装置１００の動作について図４及び図５のフローチャートを用いて説明する。
先ず、図４のフローチャートを用いて常時の動作について説明する。
ステップＳ１０１で商用電源1に無停電電源装置１００の入力端子６を接続する。これによって常閉の第1開閉器３を介して第２電力変換器５ｃへ交流電力が供給され、ステップＳ１０２で交流電力が第２電力変換器５ｃによって直流電力に変換され、制御回路５ｄに供給される。

この結果、ステップＳ１０３で制御回路５ｄが動作する。制御回路５ｄはステップＳ１０４で第２電力変換器５ｃから出力された直流電圧を制御する一方、第１電力変換器５ｂを動作させ、第１電力変換器５ｂの直流電圧を所定の電圧に降圧してバッテリー５ａの充電を行う。その後、ステップＳ１０５で起動手段５ｅの操作を確認する。起動手段の起動スイッチを押してスイッチ入力を与えるとステップＳ１０６で制御回路５ｄにより第２開閉器４が閉じられ、ステップＳ１０７で負荷２へ電力が供給される。

次に、図５のフローチャートを用いて商用電源１が停電した場合の動作について説明する。無停電電源装置の起動後に商用電源１が停電した場合は、制御回路５ｄが第１開閉器３を開いた後、第１電力変換器５ｂがバッテリー５ａの電圧を所定の電圧に昇圧し、この電圧を第２電力変換器５ｃが直流−交流変換によって交流電力に変換し、第２開閉器４を経て負荷２に給電する。

無停電電源装置１００が起動する前に商用電源１が停電していた場合は、ステップＳ２０１でバッテリー５ａの制御回路を含む、起動手段５eの操作を確認する。ステップＳ２０１で起動手段５eのスイッチが押されると、第１電力変換器５ｂを介してバッテリー５ａの電力が制御回路５ｄへ供給され、ステップＳ２０２で制御回路５ｄが動作を開始する。

制御回路５ｄの動作により、ステップＳ２０３で商用電源１との接続を遮断するため、第１開閉器３が開かれる。その後ステップＳ２０４で第１電力変換器５ｂによりバッテリー５ａの直流電圧が所定の電圧に昇圧され、第２電力変換器５ｃへ供給される。
次いで、ステップＳ２０５で第２電力変換器５ｃによる直流―交流変換が行われる。
その後、ステップＳ２０６で制御回路５ｄにより、第２開閉器４が閉じられ、ステップＳ２０７で負荷２へ交流電力が供給される。

以上のように、実施の形態１による無停電電源装置１００においては、バッテリー５ａと第１電力変換器５ｂの双方に接続され制御回路５ｄに起動指令を発する起動手段５ｅを設けているため、バッテリー５ａの正常時はバッテリーを電源として制御回路５ｄが動作するため無停電電源装置１００が確実に動作し、バッテリー５ａが取り外された場合またはバッテリーが劣化した場合などの異常時には商用電源１から第１開閉器３と第2電力変換器５ｃ及び第１電力変換器５ｂを介して起動手段５ｅ及び制御回路５ｄに電源が供給され、無停電電源装置１００を起動させることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図６は、実施の形態２による無停電電源装置の構成を示すブロック図、図７及び図８は、実施の形態２の動作を説明するためのフローチャートである。なお、図６において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態２の無停電電源装置１０１が図１と異なる点は、バッテリー５ａの異常を検出する電圧検出手段５ｇと、電圧検出手段５ｇにより例えばバッテリーの短絡等のバッテリー異常検出時に制御回路５ｄに起動処理をさせるため、制御回路５ｄに直接接続されている別の起動手段５ｆを設けた点である。

次に図７のフローチャートを用いて、実施の形態２による無停電電源装置の常時の動作について説明する。
先ず、ステップＳ３０１で商用電源1に無停電電源装置１０１の入力端子６を接続する。これにより第1開閉器３を介して第２電力変換器５ｃへ交流電力が供給され、ステップＳ３０２で第２電力変換器５ｃにより交流−直流変換が行なわれ、直流電力が生成される。

次に、ステップＳ３０３により第２電力変換器５ｃの直流出力電圧によって制御回路５ｄが動作する。第２電力変換器５ｃから出力された直流電圧を制御する制御回路５ｄはステップＳ３０４で第１電力変換器５ｂを動作させ、直流電圧を降圧してバッテリー５ａの充電を行う。

その後、ステップＳ３０５で電圧検出手段５ｇにより、第１電力変換器５ｂの出力側バッテリー端電圧を検出し、ステップＳ３０６で検出したバッテリー端電圧が所定の電圧以上かどうかを確認する。所定の電圧以上の場合には、ステップＳ３０７で起動手段５ｅのスイッチ操作を確認する。起動手段のスイッチが押された場合にはステップＳ３１０で制御回路５ｄを経て第２開閉器４を閉じ、ステップＳ３１１で負荷２へ電力を供給する。

ステップＳ３０６で検出したバッテリー５ａの端電圧が所定の電圧以下の場合には、バッテリーが短絡故障している可能性があるため、ステップＳ３０８でバッテリーへの充電動作を停止し、起動手段５ｅが使用できないので、ステップＳ３０９で制御回路５ｄに直接接続されている別の起動手段５ｆのスイッチ入力を操作し、ステップＳ３１０で制御回路５ｄを経て第２開閉器４を閉じ、ステップＳ３１１で負荷２へ電力を供給する。

制御回路５ｄは、上述したステップＳ３０６以降の動作後に商用電源１が停電した場合には、第１開閉器３を開くと共に、バッテリー５ａの直流電圧を第１電力変換器５ｂにて昇圧し、第２電力変換器５ｃにて直流―交流変換を行い、負荷２へ電力供給を行う。

次に、無停電電源装置１０１が起動する前に商用電源１が停電していた場合におけるバッテリー５ａからの起動について図８のフローチャートを用いて説明する。
ステップＳ４０１でバッテリー５ａの制御回路を含む、起動手段５eの操作を確認する。ステップＳ４０１で起動手段５eのスイッチが押されると、第１電力変換器５ｂを介してバッテリー５ａの直流電力が制御回路５ｄへ供給され、ステップＳ４０２で制御回路５ｄが動作を開始する。

制御回路５ｄの動作により、ステップＳ４０３で商用電源１との接続を遮断するため、第１開閉器３が開かれる。その後、ステップＳ４０４で第１電力変換器５ｂによりバッテリー５ａの直流電圧が所定の電圧に昇圧され、第２電力変換器５ｃへ供給される。
次いで、ステップＳ４０５で第２電力変換器５ｃによる直流―交流変換が行われる。
その後、ステップＳ４０６で制御回路５ｄにより、第２開閉器４が閉じられ、ステップＳ４０７で負荷２へ交流電力が供給される。

実施の形態１による無停電電源装置では、バッテリー５ａが短絡故障している場合、起動手段５ｅはバッテリー５ａに直接接続されているため、第1電力変換器５ｂにより起動手段５ｅに電源供給することができず、無停電電源装置を起動することができないという問題点があったが、実施の形態２による無停電電源装置は上述のように構成されているため、商用電源1から無停電電源装置１０１に電力供給されている場合には、起動手段５ｅのスイッチを押すことにより起動が可能であり、また、バッテリーが短絡故障している場合には電圧検出手段５ｇでバッテリー５ａの電圧を計測して異常を検知し、充電を停止すると共に制御回路５ｄに直接接続された別の起動手段５ｆのスイッチを操作することにより起動が可能となり、負荷２へ電力供給することができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図９は、実施の形態３による無停電電源装置の構成を示すブロック図、図１０及び図１１は、実施の形態３の動作を説明するためのフローチャートである。なお、図９において、図６と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態３の無停電電源装置１０２が図６と異なる点は、第１電力変換器５ｂと第２電力変換器５ｃとの間の２本の電路のそれぞれに直列に挿入され制御回路５ｄで開閉制御される常開の第３開閉器８ａ、８ｂと、この第３開閉器８ａ、８ｂに並列接続され、起動手段５ｅの操作で開閉制御される常開の第４開閉器９ａ、９ｂとを設けた点である。

次に、図１０のフローチャートを用いて商用電源投入時の無停電電源装置１０２の起動動作について説明する。
先ず、ステップＳ５０１で無停電電源装置１０２の入力端子６を商用電源1に接続する。これにより商用電源１は第1開閉器３を介して第２電力変換器５ｃへ接続され、ステップＳ５０２で第２電力変換器５ｃにより交流−直流変換が行なわれ直流電圧が生成される。

次に、ステップＳ５０３により第２電力変換器５ｃの直流出力電圧によって制御回路５ｄが動作する。制御回路５ｄの動作により、ステップＳ５０４で第３開閉器８ａ、８ｂが閉路され、第１電力変換器５ｂに第２電力変換器５ｃの直流出力が与えられる。

これによりステップＳ５０５で第1電力変換器５ｂによる直流−直流変換が行なわれて降圧され、バッテリー５ａが充電される。次いで、ステップＳ５０６で電圧検出手段５ｇにより、第１電力変換器５ｂの出力側バッテリー端電圧を検出し、ステップＳ５０７で検出したバッテリー端電圧が所定の電圧以上かどうかを確認する。所定の電圧以上の場合にはステップＳ５０８で起動手段５ｅのスイッチ操作を確認する。起動スイッチ５ｅが押された場合にはステップＳ５１１で制御回路５ｄを経て第２開閉器４を閉じ、負荷２へ電力を供給する。

ステップＳ５０７で検出したバッテリー端電圧が所定の電圧未満の場合には、バッテリーが短絡故障している可能性があるため、ステップＳ５０９で充電動作を停止し、起動手段５ｅが使用できないので、ステップＳ５１０で制御回路５ｄに直接接続されている別の起動手段５ｆのスイッチ操作を行い、ステップＳ５１１で制御回路５ｄを経て第２開閉器４を閉じ、負荷２へ電力を供給する。

次に、無停電電源装置１０２が起動する前に商用電源１が停電していた場合におけるバッテリー５ａからの起動について図１１のフローチャートを用いて説明する。
ステップＳ６０１でバッテリー５ａの制御回路を含む、起動手段５eの操作を確認する。ステップＳ６０１で起動手段５eのスイッチが押されると、ステップＳ６０２で第４開閉器９a、９ｂが閉路され、第１電力変換器５ｂを介してバッテリー電圧が制御回路５ｄへ供給され、ステップＳ６０３で制御回路５ｄが動作を開始する。

制御回路５ｄの動作により、ステップＳ６０４で商用電源１との接続を遮断するため、第１開閉器３が開路される。その後、制御回路５ｄにより、第３開閉器８ａ、８ｂが閉路し、ステップＳ６０５で第１電力変換器５ｂによりバッテリー電圧が所定の電圧に昇圧され、第２電力変換器５ｃへ供給される。次いで、ステップＳ６０６で第２電力変換器５ｃによる直流―交流変換が行われる。その後、ステップＳ６０７で制御回路５ｄにより第２開閉器４が閉路され、負荷２へ電力が供給される。

以上のように、実施の形態３による無停電電源装置によれば、実施の形態２の効果に加えて第３開閉器８ａ、８ｂ、第４開閉器９ａ、９ｂにてバッテリー側と商用電源側の絶縁が可能となり、バッテリー交換等の保守作業を安全に行うことができる。
なお、以上の説明では、第３開閉器８a、８ｂ、第４開閉器９a、９ｂを第１電力変換器５ｂと第２電力変換器５ｃの間に挿入したが、起動スイッチ５ｅと第１電力変換器５ｂとの間に挿入しても良い。このような接続とすれば、バッテリーが故障した時にも端子電圧を検出し、バッテリーを第１の電力変換器から切り離して安全に起動することが可能となる。

また、上述の第３、第４開閉器は、実施の形態１及び２に適用しても同様の効果を期待することができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。図１２は、実施の形態４による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。この図において、図６と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態４の無停電電源装置１０３が図６と異なる点は、第１開閉器３と並列に、開路時の動作が第１開閉器３より速い常開の並列開閉器１０を設け、並列開閉器１０を制御回路５ｄからの制御信号によって閉路する(一般的にａ接点仕様と呼ばれる)ようにした点である。

無停電電源装置１０３の起動時には、制御回路５ｄの動作により、並列開閉器１０を閉路し、第１開閉器３を開路する。この状態で起動手段５ｅが操作されると制御回路５ｄを経て第２開閉器４が閉路して負荷２に電力が供給される。一方、商用電源１の停電時には、商用電源１との接続をすばやく遮断するため、動作時間が第１開閉器より速い並列開閉器１０を開路し、バッテリー５ａの電圧を第１電力変換器５ｂにて昇圧し、第２電力変換器５ｃにて直流―交流変換を行って負荷２へ給電する。

以上のように、実施の形態４による無停電電源装置によれば、開路時の動作が第１開閉器３より速い並列開閉器１０を用いることにより、停電時の切替え時間を速くすることができる。

この発明の実施の形態１による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。 図１における第１電力変換器の詳細構成を示す回路図である。 図１における第２電力変換器の詳細構成を示す回路図である。 実施の形態１の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態２による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態３による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態３の動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態３の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態４による無停電電源装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００、１０１、１０２、１０３ 無停電電源装置、 １ 商用電源、 ２ 負荷、
３ 第１開閉器、 ４ 第２開閉器、 ５ 電力変換器、 ５ａ バッテリー、
５ｂ 第１電力変換器、 ５ｃ 第２電力変換器、 ５ｄ 制御回路、
５ｅ 起動スイッチ、 ５ｆ 別の起動スイッチ、 ５ｇ 電圧検出手段、
６ 入力端子、 ７ 出力端子、 ８ａ、８ｂ 第３開閉器、
９ａ、９ｂ 第４開閉器、 １０ 並列開閉器。

Claims (4)

1. 常時は商用電源から負荷に交流電力を給電すると共に、前記交流電力を直流電力に変換してバッテリーを充電し、前記商用電源の停電時は前記バッテリーの直流電力を交流電力に変換して前記負荷に給電するようにした無停電電源装置において、前記商用電源と負荷との間に直列接続され、前記商用電源側に接続された常閉の第１開閉器と前記負荷側に接続された常開の第２開閉器と、停電時に前記第１開閉器を開路させた後、前記第２開閉器を閉路して前記バッテリーの直流電力を交流電力に変換する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置は、常時は直流電圧を所定の直流電圧に降圧して前記バッテリーを充電し、停電時は前記バッテリーの直流電圧を昇圧させて出力する第１電力変換器と、常時は前記商用電源の交流電圧を前記第１開閉器を経て入力し、直流電圧に変換して前記第１電力変換器に供給し、停電時は前記第１電力変換器の直流電圧出力を所定の交流電圧に変換して前記第２開閉器を経て前記負荷に給電する第２電力変換器と、前記第１または第２電力変換器からの直流電圧によって動作し、前記第１及び第２電力変換器と第１及び第２開閉器を制御する制御回路と、起動時に操作され、前記第１電力変換器を動作させると共に、前記第１電力変換器の直流出力によって前記制御回路を動作させる起動手段とを備えたことを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記第１開閉器と並列に開路時の動作が前記第１開閉器より速い常開の並列開閉器を設け、前記並列開閉器の開閉を前記制御回路によって制御することにより、常時は前記第１開閉器を開路して前記並列開閉器を閉路し、停電時は前記並列開閉器を開路するようにしたことを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
3. 前記第１電力変換器と第２電力変換器とを結合する２本の電路または前記起動手段と第１電力変換器とを結合する２本の電路のそれぞれに接続された常開の第３開閉器と、前記第３開閉器と並列接続され、前記起動手段の操作時に閉路される常開の第４開閉器とを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の無停電電源装置。
4. 前記制御回路に接続され、操作時に前記制御回路を動作させる別の起動手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の無停電電源装置。

Images