JP2011067087A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源の電圧値に基づいて、ＡＣ−ＤＣコンバータまたは蓄電部から供給する電力（又は電流）の上限値を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の蓄電素子も使用できる無停電電源装置を得る。
【解決手段】異なる蓄電容量を持つ複数の蓄電素子のいずれか一つが選択的に使用される蓄電部６と、交流電源の電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段と、交流電源の異常時に前記蓄電部のエネルギーを放電し、第２の電力変換手段に直流電力を供給する第３の電力変換手段と、交流電源の電圧変動に基づいて、第１の電力変換手段または第３の電力変換手段の出力する直流電力の上限値を制御する制御手段とを備え、交流電源の電圧変動が所定値より小さいときには、第１の電力変換手段及び第３の電力変換手段の両方から第２の電力変換手段に直流電力を供給する。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電源からの交流電力を負荷に供給すると共に、交流電源の電圧低下時には、蓄電部に蓄えられた直流電力を交流電力に変換して負荷へ供給する無停電電源装置に関する。

従来の無停電電源装置は、交流電源の健全時に接続された交流電源からスイッチを介して交流電力を負荷へ供給し、交流電源の電圧が設定値を下回るような電圧変動を検出すると停電と判定し、スイッチを開放しバッテリからインバータを介して負荷へ交流電力を供給するものである（例えば、特許文献１参照。）。
上記のように従来の無停電電源装置においては、蓄電素子としてバッテリを使用するが、バッテリは高温での劣化が速く、通常２〜３年毎に交換しなければならないという問題点があるので、補償時間が数秒とバッテリを使用した装置に比べ約１００分の１程度と短くてよい場合には、蓄電素子としてバッテリに比べて寿命が長いコンデンサを用いた電圧変動補償装置が用いられる。この電圧変動補償装置は、交流電源に直列に接続され、正負いずれかの極性で補償電圧を出力する複数の電圧補償回路により、交流電源の電圧低下分だけをコンデンサに蓄電した電力により補償を行う。このような補償方法により交流電源の電圧低下が小さいときに補償時間を延長するように定めた仕様（例えば、半導体製造設備の規格であるＳＥＭＩ−Ｆ４７）に対応させている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−０９６８３１号公報 特開２００５−１３０５６２号公報

従来の電圧変動補償装置は、交流電源と負荷の間に直列に接続され、交流電源の電圧低下分を補償する方式のため、補償する電圧が低下分だけと小さいので、同一蓄電エネルギーでより長い時間補償動作を継続することができるが、電圧変動補償装置の入力側に設けられた回路遮断器の切断による停電時には、交流電源と電圧変動補償装置、負荷との間の回路が遮断されてしまうので、補償動作を行うことができないという問題があった。
そこで、従来の無停電電源装置において、内蔵する蓄電素子をバッテリからコンデンサに置き換え、交流電源の電圧低下が小さいときには、交流電源の電力と蓄電素子であるコンデンサとの電力を併用し補償時間を延長することが考えられる。
しかし、例えば５ｋＷの無停電電源装置で補償時間を５倍にするために、蓄電素子であるコンデンサから２０％の１ｋＷを供給し、交流電源から残りの８０％を供給する場合を想定する。ここで、交流電源が５０％低下してＡＣ５０Ｖになったとすると、ＡＣ−ＤＣコンバータが扱う電流は、４ｋＷ／５０Ｖ＝８０Ａとなり、通常時の定格電流５０Ａ（５ｋＷ／１００Ｖ＝５０Ａ）の１．６倍となる。
このように交流電源の電圧低下の条件によっては、交流電源の交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータの電流容量が定格値を上回るため、従来の無停電電源装置としてのみ使用する時より、ＡＣ−ＤＣコンバータの電流容量を大きくしなければならず、蓄電素子として蓄電容量の異なるバッテリとコンデンサの両方を選択的に使用することは、無停電電源装置のコストアップになるという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、交流電源の電圧変動値に基づいて、ＡＣ−ＤＣコンバータまたは蓄電部から供給する電力の上限値を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の蓄電素子も使用することができる無停電電源装置を得るものである。

この発明による無停電電源装置は、異なる蓄電容量を持つ複数の蓄電素子のいずれか一つが選択的に使用される蓄電部と、交流電源の電力により前記蓄電部の充電を行う充電手段と、交流電源の電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段と、この第１の電力変換手段の出力を交流電力に変換する第２の電力変換手段と、交流電源の異常時に前記蓄電部のエネルギーを放電し、第２の電力変換手段に直流電力を供給する第３の電力変換手段と、交流電源の電圧変動に基づいて、第１の電力変換手段または第３の電力変換手段の出力する直流電力の上限値を制御する制御回路とを備え、交流電源の電圧変動が所定値より小さいときには、第１の電力変換手段及び第３の電力変換手段の両方から第２の電力変換手段に直流電力を供給するものである。

この発明によれば、交流電源の電圧に基づき、ＡＣ−ＤＣコンバータである第１の電力変換手段または蓄電部から供給する電力の上限値を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の異なる蓄電容量を持つ蓄電素子も使用することができる。

本発明の実施の形態１における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における無停電電源装置の第１の電力変換部を示す回路図である。 本発明の実施の形態１における無停電電源装置の第２の電力変換部を示す回路図である。 本発明の実施の形態１における無停電電源装置の充放電回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態２における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２における無停電電源装置の充電回路、放電回路及び設定部を示す回路図である。 本発明の実施の形態３における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６における無停電電源装置の交流電源の電圧が正の時の充電時の動作の説明図である。 本発明の実施の形態６における無停電電源装置の交流電源の電圧が負の時の充電時の動作の説明図である。 本発明の実施の形態６における無停電電源装置の蓄電部を充電する動作の説明図である。 本発明の実施の形態６における無停電電源装置の蓄電部による充電時の動作の説明図である。 本発明の実施の形態６における無停電電源装置の蓄電部による充電時の動作の説明図である。 本発明の実施の形態６における無停電電源装置のインバータ部第１のコンデンサを充電する動作の説明図である。 本発明の実施の形態６における無停電電源装置の起動時における蓄電部による充電の動作を説明するフローチャートである。

実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図、図２は第１の電力変換部２を示す回路図、図３は第２の電力変換部５を示す回路図、図４は充放電回路７を示す回路図である。

図１において、無停電電源装置１００は、交流電源１に接続され、交流電圧を直流電圧に変換する第１の電力変換部２と、この第１の電力変換部２により所定値（例えば２００Ｖ）に充電される第１のコンデンサ３と、この第１のコンデンサ３に接続され、直流電圧を交流電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）に変換し負荷４に電力を供給する第２の電力変換部５と、交流電源１の入力電圧が健全でないとき出力に継続して交流電圧を出力するため第２の電力変換部５に電力を供給する蓄電部６と、蓄電部６に接続され、交流電源１が健全なときに交流電源１からの電力を蓄電部６に充電を行い、交流電源１が健全でないときには蓄電部６の電力を放電する充放電回路７と、蓄電部６への充電または放電特性に基づいて蓄電部６の種別を判別する蓄電種別判定部８と、蓄電種別判定部８の判定結果により蓄電種別判定部８より出力される信号に基づいて充放電回路７の充電完了電圧を設定する設定部９と、を有している。なお、請求項で述べている「第２の電力変換手段」は第２の電力変換部５で、「充電手段」は充放電回路７である。

また、無停電電源装置１００は、交流電源１の電圧を計測する入力電圧センサ１１と、入力電圧センサ１１の出力により交流電源１から供給される電力を計測する供給レベル検出部１０と、供給レベル検出部１０が出力する交流電源１から供給される電力に基づき、第１の電力変換部２の出力する直流電力の上限値を制御する制御回路３５と、を備えている。

図２に示すように第１の電力変換部２は、ブリッジ整流回路２ａと、コイル及びスイッチ素子及びダイオードからなる昇圧回路２ｂとを有しており、ブリッジ整流回路２ａにより交流電源１の交流電力を直流電圧に整流し、この直流電圧を昇圧回路２ｂにより昇圧して第１のコンデンサ３を充電する。

第２の電力変換部５は、図３に示すように、ダイオードを逆並列に接続した複数個のＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる単相フルブリッジインバータと、コイル及びコンデンサからなるフィルタ回路５ｅを有している。なお、フルブリッジインバータはハーフブリッジインバータでもよい。自己消弧型半導体スイッチング素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄはＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ等でも、また自己消弧機能がないサイリスタ等でも強制転流動作が可能であればよい。

蓄電部６は、第１の充電完了電圧である例えば充電完了電圧ＤＣ４０Ｖの鉛バッテリ、すなわち第１の蓄電素子と、第２の充電完了電圧である例えば充電完了電圧ＤＣ１５０Ｖのコンデンサ（例えば静電容量は１００ｍＦ）、すなわち、第１の蓄電素子とは異なる蓄電容量を持つ第２の蓄電素子と、が選択的に使用される。一般に、瞬時電圧低下は１秒以下であるので、瞬時電圧低下を目的とする場合は、蓄電部６としてコンデンサを使うことは有効である。

充放電回路７は、図４に示すように、蓄電部６の正極側に接続されたリアクトル７ａと、このリアクトル７ａの出力側に蓄電部６に対し並列に接続され、ダイオードを逆並列に接続したＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子７ｂと、自己消弧型半導体スイッチング素子７ｂをスイッチングして蓄電部６の電圧を昇圧制御する放電制御部７ｃとを有している。また、充放電回路７は、リアクトル７ａの出力と第１のコンデンサ３の正極側に接続され、ダイオードを逆並列に接続したＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子７ｄと、自己消弧型半導体スイッチング素子７ｄをスイッチングしてリアクトル７ａを介して蓄電部６を充電制御する充電制御部７ｅとを有している。なお、放電制御部７ｃ及び充電制御部７ｅは、例えば、ＰＷＭコントローラＩＣを用いてもよいし、ＰＷＭコントローラ内蔵のマイコンを用いてもよい。

また、充電制御部７ｅには、蓄電種別判定部８からの指令に基づき設定部９により鉛バッテリに対応する第１の充電完了電圧Ｖ１（例えばＤＣ４０Ｖ）またはコンデンサに対応する第２の充電完了電圧Ｖ２（例えばＤＣ１５０Ｖ）が設定される。そして、放電制御部７ｃには、蓄電種別判定部８からの指令に基づき設定部９により鉛バッテリに対応する放電終止電圧Ｖ３（例えばＤＣ３０Ｖ）またはコンデンサに対応する放電終止電圧Ｖ４（例えばＤＣ７５Ｖ）が設定される。放電終止電圧とは、蓄電部６からの放電を中止する蓄電部６の両端電圧である。蓄電部６からの放電により、蓄電部６の両端電圧は徐々に低下していき、放電終止電圧に至ると、放電を中止する。

蓄電種別判定部８は、蓄電部６へ流れる電流を計測する電流センサ８ａと、蓄電部６の両端電圧を計測する電圧センサ８ｂと、蓄電部６を充電する所定の充電時間(例えば１秒間)を計測する図示しない計時手段とを備え、電流センサ８ａによる充電電流及び計時手段による充電時間を積算演算して得られた積算値と、電圧センサ８ｂにより計測された蓄電部６の両端電圧の電圧上昇値とから、蓄電部６が鉛バッテリかコンデンサかの判定を行い、設定部９に判定結果を出力する。

設定部９は、蓄電種別判定部８の判定結果に応じて、蓄電部６が鉛バッテリである場合は、充電制御部７ｅに対し充電完了電圧をＶ１（例えばＤＣ４０Ｖ）、放電制御部７ｃに対し放電終止電圧をＶ３（例えばＤＣ３０Ｖ）に設定する。また、蓄電部６がコンデンサである場合は、充電制御部７ｅに対し充電完了電圧をＶ２（例えばＤＣ１５０Ｖ）、放電制御部７ｃに対し放電終止電圧をＶ４（例えばＤＣ７５Ｖ）に設定する。

供給レベル検出部１０は、第１の電力変換器２に供給される電流を計測する入力電流センサ１０ａと、入力電圧センサ１１および入力電流センサ１０ａからの両検出信号より交流電源１から供給される電力の供給レベルを演算する供給レベル演算部１０ｂとから構成される。

コンデンサは一般的に高い電圧まで充電するほうが保有するエネルギー密度が大きくなる傾向があり、鉛バッテリの時よりは高い電圧まで充電することで、無停電電源装置としての小型化が可能となる。

次に動作について説明する。
交流電源１が負荷４の許容できる電圧範囲内にある健全時（無停電電源装置の定格電圧がＡＣ１００Ｖの場合、例えば交流電源１の電圧がＡＣ９０ＶからＡＣ１１０Ｖの時）には、第１の電力変換部２は入力に印加された交流電源１の交流電圧をブリッジ整流回路２ａにより直流電圧に変換し、この直流電圧を昇圧回路２ｂにより昇圧して第１のコンデンサ３を所定電圧（例えばＤＣ２００Ｖ）に充電する。

第２の電力変換部５は、第１のコンデンサ３の直流電圧を所定の交流電圧（例えばＡＣ１００Ｖ）に変換し、負荷４に電力を供給する。

また、充放電回路７は、蓄電部６に一定の電流(例えば１Ａ)で充電する定電流充電機能を有しており、充放電回路７により蓄電部６が一定の電流で充電されるとき、蓄電種別判定部８の計時手段は、充電開始から所定の充電時間後（例えば１秒後）から所定の充電時間（例えば１秒間）を計測する。また、電流センサ８ａにより蓄電部６への充電電流を、電圧センサ８ｂにより蓄電部６の両端電圧の上昇値を計測する。そして、蓄電種別判定部８は、充電電流と計測された充電時間の積算値と、蓄電部６の両端電圧の電圧上昇値（変化値）とに基づいて、蓄電部６の蓄電素子が第１の蓄電素子（鉛バッテリ）か第２の蓄電素子（コンデンサ）かを判定する。

例えばコンデンサが１００ｍＦであれば、１Ａで１秒間充電した場合、コンデンサ両端電圧は１０Ｖ電圧が上昇する。しかし、例えば鉛バッテリを３０Ｖから４０Ｖに１０Ｖ充電するのに一般的に１時間以上かかることから、鉛バッテリでは１秒間での電圧上昇は極めて小さい。

以上より、例えば１Ａで１秒間充電したときの蓄電部６の電圧上昇値が５Ｖ以上であれば、蓄電部６の種別はコンデンサであると判定でき、５Ｖ未満であれば鉛バッテリと判定できる。

蓄電部６の両端電圧上昇値の計測開始点を、充電開始時点ではなく、所定充電時間後（例えば１秒後）とすることで、鉛バッテリの場合に充電電流通電開始時に鉛バッテリの内部抵抗に起因する蓄電部６における両端電圧の急激な電圧上昇の影響を回避することができる。

蓄電種別判定部８により蓄電部６が鉛バッテリと判定された場合には、設定部９により、充電制御部７ｅに対し充電完了電圧を第１の充電完了電圧Ｖ１（例えば４０Ｖ）に設定し、放電制御部７ｃに対し放電終止電圧を第１の放電終止電圧Ｖ３（例えば３０Ｖ）に設定する。

蓄電種別判定部８により蓄電部６がコンデンサと判定された場合には、設定部９により、充電制御部７ｅに対し充電完了電圧を第２の充電完了電圧Ｖ２（例えば１５０Ｖ）に設定し、放電制御部７ｃに対し放電終止電圧を第２の放電終止電圧Ｖ４（例えば７５Ｖ）に設定する。

充放電回路７は蓄電部６が充電完了電圧まで充電されると、所定電流（例えば１Ａ）での充電（定電流充電）を中止し、以後充電電圧を充電完了電圧に維持する定電圧充電に移行する。

停電時および瞬時電圧低下時の動作について説明する。
交流電源１の電圧が異常となった場合（例えば電圧がＡＣ９０Ｖ未満に低下）に、制御回路３５は、入力電圧センサ１１の出力する交流電源１の電圧変動に基づき、交流電源１から供給する電力の上限値を変更し、上限値を超えないように第１の電力変換部２を制御する。このとき、制御回路３５は、供給レベル検出部１０の出力する電力の供給レベルを参照し、上限値を超えないように第１の電力変換器部２を制御するものである。

例えば、無停電電源装置１００の定格出力電力を４ｋＷとすると、制御回路３５は、交流電源電圧がＡＣ８０ＶからＡＣ９０Ｖの範囲の時、交流電源１から負荷４に供給する電力の上限値を定格電力の８０％の３．２ｋＷとし、ＡＣ７０ＶからＡＣ８０Ｖの範囲の時、交流電源１から負荷４に供給する電力の上限値を定格電力の６０％の２．４ｋＷとし、ＡＣ７０Ｖ未満の時は、交流電源１から負荷４に供給する電力の上限値を０ｋＷとし、不足分は、蓄電部６の保有するエネルギーが充放電回路７を介して放電し負荷４へ供給される。ここでは簡単のため、電力変換部自身の電力損失は無視している。交流電源１の電圧が健全状態（例えば９０Ｖ以上）に戻ると蓄電部６からの電力供給を停止し、交流電源１の電圧が健全状態に戻る前に、蓄電部６の両端電圧が放電終止電圧を下回ると、蓄電部６からの電力供給を停止する。以上の蓄電部６の放電開始から放電停止までの放電動作を、以後、１回の放電動作と言う。

負荷４に４ｋＷの定格負荷が接続されている場合、交流電源電圧がＡＣ８０Ｖに低下の時には、交流電源１から３．２ｋＷ、蓄電部６から残りの０．８ｋＷをコンデンサ３に供給する。交流電源電圧がＡＣ７０Ｖに低下の時には、交流電源１から２．４ｋＷ、蓄電部６から残りの１．６ｋＷをコンデンサ３に供給する。交流電源電圧がＡＣ７０Ｖ未満に低下の時は、蓄電部６から４ｋＷをコンデンサ３に供給する。
蓄電部６のコンデンサ容量を１００ｍＦ、充電完了電圧を１５０Ｖ、放電終止電圧を７５Ｖとすると、蓄電部６から供給可能なエネルギーは
０．５×１００ｍＦ×（１５０Ｖ×１５０Ｖ−７５Ｖ×７５Ｖ）＝８４４Ｗ秒
となり、約８００Ｗ秒が供給可能である。４ｋＷの負荷に蓄電部６だけからエネルギーを供給すると、補償できる時間は
８００Ｗ秒／４ｋＷ＝０．２秒
となる。一方、交流電源電圧が７０Ｖの時は、蓄電部６から供給する電力は１．６ｋＷなので、補償できる時間は
８００Ｗ秒／１．６ｋＷ＝０．５秒
交流電源電圧が８０Ｖの時は、蓄電部６から供給する電力は０．８ｋＷなので、補償できる時間は
８００Ｗ秒／０．８ｋＷ＝１秒
と延長することができる。

ＳＥＭＩ−Ｆ４７では、交流電源電圧５０Ｖで０．２秒、交流電源電圧７０Ｖで０．５秒、交流電源電圧８０Ｖで１秒の補償時間を持たせることを規定しているが、それを満足する。
また、通常交流電源電圧がＡＣ１００Ｖの時に交流電源１から供給される電力は４ｋＷであるので、第１の電力変換部２の入力電流は４ｋＷ／１００Ｖより４０Ａであるが、
交流電源電圧がＡＣ８０Ｖの時は、交流電源１から供給される電力は３．２ｋＷであるので、第１の電力変換部２の入力電流は、３．２ｋＷ／８０Ｖより４０Ａ、交流電源電圧がＡＣ７０Ｖの時は、交流電源１から供給される電力は１．６ｋＷであるので、第１の電力変換部２の入力電流は、１．６ｋＷ／７０Ｖより２３Ａであり、いずれも通常動作時の電流を上回っていないので、第１の電力変換部２を特に電力容量の大きなものに格上げする必要がない。

ここでは、供給レベル検出部１０により、交流電源１から供給される電力を計測したが、蓄電部６から負荷４に供給される電力を計測してもよい。この場合は、交流電源電圧がＡＣ８０ＶからＡＣ９０Ｖの時は、蓄電部６から負荷４に供給する電力の上限値を定格電力の２０％の０．８ｋＷとし、ＡＣ７０ＶからＡＣ８０Ｖの時は、蓄電部６から負荷４に供給する電力の上限値を定格電力の４０％の１．６ｋＷとし、ＡＣ７０Ｖ未満の時は、蓄電部６から負荷４に供給する電力の上限値を４ｋＷとし、不足分は交流電源１から供給するようにしてもよい。この場合、蓄電種別判定部８には、蓄電部６へ流れる電流を計測する電流センサ８ａと蓄電部６の両端電圧を計測する電圧センサ８ｂの出力が入力されているので、蓄電種別判定部８にて蓄電部６から負荷４に供給される電力を演算させればよい。

本実施の形態によれば、交流電源１の電圧変動に基づき、ＡＣ−ＤＣコンバータである第１の電力変換部２または蓄電部６から供給する電力の上限値を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の異なる蓄電容量を持つ蓄電素子も使用可能とし、無停電電源装置を交流電源の電圧低下分を補償する電圧変動補償装置としても使用することができる。

また、第１の電力変換部２の電力容量を格上げすることなく、交流電源１の電圧の低下分の小さい時に、補償時間を延ばすことができる。

また、蓄電種別判定部８により蓄電部６が鉛バッテリかコンデンサかを判別し、設定部９により充電完了電圧を設定するので、鉛バッテリとコンデンサとを使用用途に応じて選択的に使用することができる。
これにより、鉛バッテリの場合は例えば０〜４０℃という使用温度範囲の制約や、例えば期待寿命が３〜５年であるという経年劣化の問題はあるが、交流電源１が停電しても５分程度は負荷４への電力供給を継続するバックアップ運転が可能である。一方、コンデンサの場合は交流電源１停電時のバックアップ運転は１秒程度以下であるが、使用温度範囲を広く期待寿命を長くすることができるという、両者の利点を使い分けることが可能となる。

なお、本実施の形態では、蓄電種別判定部８は所定の充電時間（例えば１秒間）の蓄電部６への充電電流及び蓄電部６の両端電圧の上昇値を計測し、充電電流と充電時間の積算値と両端電圧の電圧上昇値により、蓄電部６の種別を判定したが、定電流充電動作のように一定の電流で充電されるときには、充電電流が想定可能なので充電電流は計測しなくてよく、計時手段により計測される充電時間と該充電時間における蓄電部６の両端電圧の上昇値とに基づいて蓄電素子の種別を判定することができる。

また、充電時ではなく蓄電部６の放電時に所定の放電時間（例えば１秒間）を計時手段により計測すると共に蓄電部６からの放電電流及び蓄電部６の両端電圧の下降値を計測し、放電電流及び放電時間の積算値と、蓄電部６の両端電圧の電圧下降値とに基づいて蓄電部６の種別を判定してもよい。

また、蓄電種別判定部８が蓄電部６をコンデンサと判定した場合、蓄電部６の両端電圧は例えば１５０Ｖと高い電圧になり、蓄電部６を交換する場合に、作業者が感電することが想定される。よって、蓄電部６を交換するため、例えば、本体カバーが開けられたことを検知して充放電回路７の充放電動作を禁止設定する禁止手段を設け、蓄電種別判定部８が蓄電部６をコンデンサ、すなわち第２の蓄電素子と判定している場合において禁止手段により充放電回路７の充放電動作を禁止したとき、禁止手段からの指令に基づき充放電回路７により蓄電部６の両端電圧を所定電圧以下(例えば６０Ｖ以下)まで放電させるようにしてもよい。これにより作業者が蓄電部６を交換する際には蓄電部６が所定電圧(例えば６０Ｖ)以下に放電され、蓄電部６の電圧が低下させられるので、作業者の感電を防止することができる。

また、第１の蓄電素子は鉛バッテリとして説明したが、これに限らず、例えばニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム蓄電池等を第１の蓄電素子として使用しても良い。

また、交流電源１の電圧変動値に基づき、第１の電力変換部２または蓄電部６から供給する電力の上限値を制御することとしたが、電力に代えて電流の上限値を制御してもよい。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図、図６は充電回路１２、放電回路１３及び設定部９を示す回路図である。図５に示すように本実施の形態は、実施の形態１における充放電回路７を充電回路１２、すなわち充電手段と、放電回路１３とに分けたものである。

充電回路１２は、図６に示すように、交流電源１に接続された整流器１２ａと、整流器１２ａの出力に設けられ、直流電圧を平滑化するコンデンサ１２ｂと、コンデンサ１２ｂの直流電圧を降圧して蓄電部６を充電する降圧充電回路を構成するスイッチング素子１２ｃ及びリアクトル１２ｄ及びダイオード１２ｅと、充電電流及び充電電圧を制御するためスイッチング素子１２ｃのオン／オフのデューティを制御する充電制御部１２ｆを有する。

また、放電回路１３は、同じく図６に示すように、蓄電部６の電力を昇圧放電させて第１のコンデンサ３を充電するための昇圧回路を構成するリアクトル１３ａ及びダイオード１３ｂ及びスイッチング素子１３ｃと、放電電流を制御するためスイッチング素子１３ｃのオン／オフのデューティを制御する放電制御部１３ｄを有する。
その他の構成及び動作は実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

本実施の形態によれば、交流電源１の電圧変動値に基づき、ＡＣ−ＤＣコンバータである第１の電力変換部２または蓄電部６から供給する電力の上限値を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の蓄電素子も使用可能とし、無停電電源装置を交流電源の電圧低下分を補償する電圧変動補償装置としても使用することができる。

また、蓄電種別判定部８により蓄電部６が鉛バッテリかコンデンサかを判別し充電完了電圧を設定するので、鉛バッテリとコンデンサとを使用用途に応じて選択的に使用することができる。

また、充電回路１２と放電回路１３を別々に設けたので、充電回路用のリアクトル１２ｄと放電回路用のリアクトル１３ａをそれぞれ最適に設定可能となり、充電効率及び放電効率を高めることができる。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。

図７において、無停電電源装置１０２は、交流電源１に接続され、スイッチ部１７を介した交流電源１の交流電圧が直流電圧に変換されて第２のコンデンサ１５を所定値（例えば２００Ｖ）に充電する第３の電力変換部１４と、交流電源１が健全時には第２のコンデンサ１５の電力により蓄電部６を充電すると共に交流電源１が健全でない時には蓄電部６の電力を放電して第２のコンデンサ１５を充電する充放電回路７と、交流電源１と負荷４の間に直列接続され、交流電源１が健全時及び所定の異常時（交流電源１と蓄電部６の両方から電力を得る、例えばＡＣ７０ＶからＡＣ９０Ｖの間）には交流電源１の電圧を調整し、交流電源１がその他の異常時（例えばＡＣ７０Ｖ未満の時）にはスイッチ部１７がオフした後第３の電力変換部１４と協働して負荷４に交流電力を供給する第４の電力変換部１６と、交流電源１の電圧を計測する入力電圧センサ１１と、交流電源１から供給される電力を計測する供給レベル検出部１０とを有している。なお、本実施の形態では、第３の電力変換部１４と第４の電力変換部１６とが協働することで交流電圧を出力し、請求項の「第２の電力変換手段」を構成し、第３の電力変換部１４は、交流電源１の電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段も兼ねている。

第３の電力変換部１４及び第４の電力変換部１６は、図３に示すダイオードを逆並列に接続した複数個のＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる単相フルブリッジ及びコイル、コンデンサからなるフィルタ回路５ｅと同様な構成をしている。なお、第３の電力変換部１４は、複数の単相フルブリッジを直列に接続して構成してもよい。

自己消弧型半導体スイッチング素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄはＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ、ＧＣＴ、ＧＴＯ、トランジスタ等でも、また自己消弧機能がないサイリスタ等でも強制転流動作が可能であればよい。その他の構成及び動作は実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

また、第３の電力変換部１４は、交流電源１と第２のコンデンサ１５との間において双方向で電力変換を行うものである。また、第４の電力変換部１６も、第２のコンデンサ１５との間で図示しない絶縁トランスを介して双方向に電力変換を行う。

本実施の形態によれば、交流電源１の電圧変動値に基づき、交流電源１から供給する電力が上限値を超えないように充放電回路７を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の異なる蓄電容量を持つ蓄電素子も使用可能とし、無停電電源装置を交流電源の電圧低下分を補償する電圧変動補償装置としても使用することができる。

また、蓄電種別判定部８により蓄電部６が鉛バッテリかコンデンサかを判別し充電完了電圧を設定するので、鉛バッテリとコンデンサとを使用用途に応じて選択的に使用することができる。

また、交流電源１の健全時には、第４の電力変換部１６が交流電源１の電圧を調整して負荷４に出力するので、実施の形態１及び２に比べ、交流電源１が健全時の無停電電源装置の消費電力（電力損失）を少なくすることができる。

実施の形態４．
図８は本発明の実施の形態４における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。

図８に示すように本実施の形態は、実施の形態３における充放電回路７を充電回路１２と放電回路１３に分けたものである。その他の構成及び動作は実施の形態３と同様なので、説明を省略する。

本実施の形態によれば、交流電源１の電圧変動値に基づき、交流電源１から供給する電力が上限値を超えないように放電回路１３を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の蓄電素子も使用可能とし、無停電電源装置を交流電源の電圧低下分を補償する電圧変動補償装置としても使用することができる。

また、蓄電種別判定部８により蓄電部６が鉛バッテリかコンデンサかを判別し充電完了電圧を変更するので、鉛バッテリとコンデンサとを使用用途に応じて選択的に使用することができる。

また、充電回路１２と放電回路１３を別々に設けたので、充電回路用のリアクトル１２ｄと放電回路用のリアクトル１３ａをそれぞれ最適に設定可能となり、充電効率及び放電効率を高めることができる。

また、交流電源１の健全時には、第４の電力変換部１６が交流電源１の電圧を調整して負荷４に出力するので、実施の形態１及び２に比べ、交流電源１が健全時の無停電電源装置の消費電力（電力損失）を少なくすることができる。

実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５における無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。
従来の蓄電素子としてコンデンサを用いた無停電電源装置では、補償時間が数秒とバッテリを使用した装置に比べ約１００分の１程度と短くなるため、停電や瞬時電圧低下に対し、補償できるかどうかわからないという問題点があったが、本実施の形態では、蓄電素子としてコンデンサの適用が可能かを判断することを可能にするものである。

図９に示すように無停電電源装置１０４は、蓄電部６からの放電電流及び電圧に基づいて蓄電部６からの１回の放電動作における放電エネルギー（電力量）を計測し、過去所定回数(例えば５０回)の放電動作の放電エネルギー（電力量）を記録する第１の記録部１８を有する。

第１の記録部１８は、蓄電部６からの放電電流を計測する電流センサ８ａの計測信号と蓄電部６の両端電圧を計測する電圧センサ８ｂの計測信号が入力された計測部１８ａと、計測部１８ａが計測した蓄電部６からの１回の放電動作における放電エネルギー値（電力量）を過去の大きいものから所定回数(例えば５０回)分記録する記憶部１８ｂと、記憶部１８ｂに記憶された記録データに基づいて、放電エネルギー値の小さい方から所定の割合(例えば８０％であれば、５０個の８０％なので放電エネルギー値の小さい方から４０個)の放電エルギーを充足させることができる１回の放電動作における放電エネルギーの最小値、すなわち、最小放電エネルギー値を求めると共に必要となるコンデンサ容量を算出する演算部１８ｃとを有している。

演算部１８ｃにより求められた最小放電エネルギー値が例えば５００Ｗ秒であれば、コンデンサの適当な静電容量として、以下の計算により、コンデンサを１５０Ｖから７５Ｖまで放電させたとすれば、必要なコンデンサの静電容量は、
５００Ｗ秒×２／（１５０Ｖ×１５０Ｖ−７５Ｖ×７５Ｖ）＝５９．２６ｍＦと算出される。よって、５９．２６ｍＦより大きな容量の例えば１００ｍＦを選定する。

１００ｍＦのコンデンサを１５０Ｖから７５Ｖまで放電させたときの放電エネルギーは、０．５×１００ｍＦ×（１５０Ｖ×１５０Ｖ−７５Ｖ×７５Ｖ）＝８４４Ｗ秒であり前記５００Ｗ秒を満足する。

無停電電源装置１０４は、導入時には蓄電部６として鉛バッテリを使用し、鉛バッテリが劣化するまでの例えば３年間、放電エネルギーを第１の記録部１８により記録し、記録した記録データから最小放電エネルギー値を求め、さらに必要なコンデンサ容量を算出し通信手段や表示手段により使用者に提供を行う。

本実施の形態によれば、交流電源１の電圧変動値に基づき、ＡＣ−ＤＣコンバータである第１の電力変換部２または蓄電部６から供給する電力の上限値を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の蓄電素子も使用可能とし、無停電電源装置を交流電源の電圧低下分を補償する電圧変動補償装置としても使用することができる。

また、蓄電種別判定部８により蓄電部６が鉛バッテリかコンデンサかを判別し充電完了電圧を変更するので、鉛バッテリとコンデンサとを使用用途に応じて選択的に使用することができる。

また、当初は鉛バッテリ搭載の無停電電源装置として使用し、鉛バッテリ劣化後に第１の記録部１８に記録された過去の１回あたりの放電エネルギーから最小放電エネルギー値を求め必要とするコンデンサ容量を算出することにより、蓄電部としてコンデンサが使用可能かを容易に判断することができる。
また、蓄電部６を設置環境に適した静電容量のコンデンサに変更することが可能となるので、以降は長い年月(例えば１０年間)蓄電部６を交換することなく無停電電源装置を使用することができる。

なお、本実施の形態では、過去の所定回数(例えば５０回)の放電動作の放電エネルギー（電力量）を記録したが、例えば、定格出力電力１０００Ｗの無停電電源装置の場合、１回の放電動作時間（バックアップ時間）１秒までの０〜１０００Ｗ秒までの間を適当な電力量範囲（例えば０〜１０Ｗ秒、１０〜２０Ｗ秒、・・・４５０〜５００Ｗ秒、・・・９００〜１０００Ｗ秒、それ以上）で区分けされ、放電エネルギー値に応じた複数個のカウンタを設け、１回の放電動作を行う毎に１回の放電動作における蓄電部６からの放電エネルギー（電力量）に該当するカウンタをカウントアップするようにする第２の記録部を第１の記録部１８に代えて設けてもよく、カウンタの計数値、すなわち放電回数により必要となる放電エネルギー（電力量）を把握することが可能である。そして、第２の記録部に記憶した放電エネルギー値に応じた放電回数に基づいて所定の割合を満足する最小放電エネルギー値を第１の記録部１８と同様に求めることができる。

また、第１の記録部１８は、蓄電部６からの放電電流及び電圧を計測し、蓄電部６からの１回の放電動作における放電エネルギー（電力量）を計測したが、無停電電源装置１０４の出力端子から供給される電流及び電圧から電力を計測するようにしても、同様な効果が得ることができる。

また、本実施の形態では、実施の形態１の無停電電源装置に第１の記録部１８または第２の記録部を設けた例を示したが、実施の形態２乃至４に示す無停電電源装置に設けても同様の効果を奏するものである。

実施の形態６．
第１０図は実施の形態６における無停電電源装置の概略構成を示す図、図１１および図１２は交流電源１による充電時の動作の説明図、図１３は無停電電源装置の蓄電部２３を充電する動作の説明図、図１４および図１５は無停電電源装置の蓄電部２３による充電時の動作の説明図、図１６は無停電電源装置のインバータ部第１のコンデンサ２４ａを充電する動作の説明図、図１７は無停電電源装置の起動時における蓄電部２３による充電の動作を説明するフローチャートである。

図において、無停電電源装置１０５は、交流電源１の一端と負荷４の一端を接続する共通線と、同極性に直列接続され、この直列接続の接続点が交流電源１の他端に接続された１対の逆流防止用第１、第２のダイオード２１、２２と、この逆流防止用第１のダイオード２１のカソードに接続され、直流の正極側となる正極側電圧線と、逆流防止用第２のダイオード２２のアノードに接続され、直流の負極側となる負極側電圧線と、負極側が共通線に接続され、停電時に電力を供給する蓄電部２３と、共通線と正極側電圧線と負極側電圧線とに接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータ部２４と、インバータ部２４より交流電源１側で共通線と正極側電圧線と負極側電圧線とに接続され、インバータ部２４の２つのコンデンサ２４ａ、２４ｂの間で電荷を移動させるバランス部２５と、蓄電部２３の正極側と共通線と負極側電圧線とに接続された負極側昇降圧部２６と、交流電源１に並列接続され、交流電源１の交流電力を直流電力に変換するコンバータ部２７と、を有している。

なお、請求項で述べている「第１の電力変換手段」はコンバータ部２７、逆流防止用第１、第２のダイオード２１、２２で、「充電手段」は負極側昇降圧部２６で、「第２の電力変換手段」はインバータ部２４で、「第３の電力変換手段」は負極側昇降圧部２６とコンバータ部２７、逆流防止用第１、第２のダイオード２１、２２である。

交流電源１とコンバータ部２７との間には、交流電源１側に交流電源１と並列接続されるコンデンサ２８と、コンバータ部２７側にコンデンサ２８とフィルタを形成するリアクトル２９と、コンデンサ２８とリアクトル２９の間には交流電源１と蓄電部２３との入力を切換える交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０のａ接点が接続されている。交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０のｂ接点と蓄電部２３の正極の間には、バッテリ運転用スイッチ３１が接続されている。
また、インバータ部２４の出力線には、直列接続されたリアクトル３２と、リアクトル３２の負荷４側には負荷４と並列にコンデンサ３３とが接続されており、リアクトル３２とコンデンサ３３とでフィルタを形成している。

インバータ部２４は、共通線と正極側電圧線との間に接続されるインバータ部第１のコンデンサ２４ａと、共通線と負極側電圧線との間に接続されるインバータ部第２のコンデンサ２４ｂと、コレクタが正極側電圧線に接続されたインバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃと、半導体スイッチ２４ｃと逆並列接続されるダイオード２４ｄと、コレクタがインバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃのエミッタに接続され、エミッタが負極側電圧線に接続されたインバータ部第２の半導体スイッチ２４ｅと、半導体スイッチ２４ｅと逆並列接続されるダイオード２４ｆとを有している。半導体スイッチ２４ｃと、ダイオード２４ｄと、半導体スイッチ２４ｅと、ダイオード２４ｆとで、第１のコンデンサ２４ａおよび第２のコンデンサ２４ｂからなる直流電源から直流電力を交流電力に変換するインバータを構成する。

バランス部２５は、コレクタが正極側電圧線に接続されたバランス部第１の半導体スイッチ２５ａと、バランス部半導体スイッチ２５ａと逆並列接続されるダイオード２５ｂと、コレクタがバランス部第１の半導体スイッチ２５ａのエミッタに接続され、エミッタが負極側電圧線に接続されたバランス部第２の半導体スイッチ２５ｃと、バランス部半導体スイッチ２５ｃと逆並列接続されるダイオード２５ｄと、一端がバランス部半導体スイッチ２５ａのエミッタおよび半導体スイッチ２５ｃのコレクタに接続され、他端が共通線に接続されるバランス部リアクトル２５ｅとから構成される。

負極側昇降圧部２６は、コレクタが蓄電部２３の正極側に接続された負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａと、負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａと逆並列接続されるダイオード２６ｂと、コレクタが負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａのエミッタに接続され、エミッタが負極側電圧線に接続された負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄと、負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ｄと逆並列接続されるダイオード２６ｅと、一端が負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａのエミッタおよび半導体スイッチ２６ｄのコレクタに接続され、他端が共通線に接続される負極側昇降圧部リアクトル２６ｃとから構成される。

コンバータ部２７は、ダイオードブリッジ２７ａを構成するダイオード２７ａ１、２７ａ２、２７ａ３、２７ａ４と、このダイオードブリッジ２７ａと並列接続されるコンバータ部半導体スイッチ２７ｂとから構成される。

また、無停電電源装置１０５は、インバータ部第１のコンデンサ２４ａの電圧およびインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧を検出する電圧検出器３４と、交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０、バッテリ運転用スイッチ３１、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ、インバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃ、インバータ部第２の半導体スイッチ２４ｅ、バランス部第１の半導体スイッチ２５ａ、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃ、負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａ、負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄを制御する制御回路３５と、を備えている。
その他の構成については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

次に動作について説明する。
無停電電源装置１０５は、通常運転時は交流電源１により、停電時には蓄電部２３によりインバータ部第１のコンデンサ２４ａおよびインバータ部第２のコンデンサ２４ｂを充電し、インバータ部第１の半導体スイッチ２４ｃ、ダイオード２４ｄ、インバータ部第２の半導体スイッチ２４ｅ、ダイオード２４ｆからなるインバータで、第１のコンデンサ２４ａ、第２のコンデンサ２４ｂからなる直流電源の直流電力を交流電力に変換し、負荷４に交流電力を供給する。

図１１および図１２により無停電電源装置における通常運転時のインバータ部コンデンサの充電動作を説明する。
交流電源１の電圧が正の場合、図１１（ａ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオンして、交流電源１→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→リアクトル２９→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ１→コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ４→交流電源１というルートで、リアクトル２９にエネルギーを貯める。
続いて、図１１（ｂ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオフして、リアクトル２９→逆流阻止用第１のダイオード２１→インバータ部第１のコンデンサ２４ａ→交流電源１→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→リアクトル２９というルートで、リアクトル２９に貯められたエネルギーをコンバータ部第１のコンデンサ２４ａに充電し、共通線に対し正極側電圧線Ｐを形成する。

交流電源１が負の場合、図１２（ａ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオンして、交流電源１→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ２→コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ３→リアクトル２９→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→交流電源１というルートで、リアクトル２９にエネルギーを貯める。続いて、図１２（ｂ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオフして、リアクトル２９→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→交流電源１→インバータ部第２のコンデンサ２４ｂ→逆流阻止用第２のダイオード２２→リアクトル２９というルートで、リアクトル２９に貯められたエネルギーをインバータ部第２のコンデンサ２４ｂに充電し、共通線に対し負極側電圧線Ｎを形成する。

通常運転時における蓄電部の充電動作を図１３により説明する。
第１３図（ａ）に示すように、負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄをオンして、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄ→インバータ部第２のコンデンサ２４ｂというルートで負極側昇降圧部リアクトル２６ｃにエネルギーを貯める。続いて、図１３（ｂ）に示すように、負極側昇降圧部第２の半導体スイッチ２６ｄをオフして、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→負極側昇降圧部第１のダイオード２６ｂ→蓄電部２３→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃというルートで、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃに貯められたエネルギーを蓄電部２３に充電する。

停電時の蓄電部２３によるインバータ部コンデンサの充電動作を図１４、１５により説明する。
停電時は、交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０を接点ｂ側に切換え、バッテリ運転用スイッチ３１を短絡する。
第１４図（ａ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオンして、蓄電部２３→バッテリ運転用スイッチ３１→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→リアクトル２９→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ１→コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ４→蓄電部２３というルートでリアクトル２９にエネルギーを貯める。

続いて、図１４（ｂ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオフして、リアクトル２９→逆流阻止用第１のダイオード２１→インバータ部第１のコンデンサ２４ａ→蓄電部２３→バッテリ運転用スイッチ３１→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→リアクトル２９というルートで、リアクトル２９に貯められたエネルギーを第１のコンデンサ２４ａに充電する。

また、第１５図（ａ）に示すように、負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａをオンして、蓄電部２３→負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→蓄電部２３というルートで負極側昇降圧部リアクトル２６ｃにエネルギーを貯める。続いて、図１５（ｂ）に示すように、負極側昇降圧部第１の半導体スイッチ２６ａをオフして、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→インバータ部第２のコンデンサ２４ｂ→負極側昇降圧部第２のダイオード２６ｅ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃというルートで、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃに貯められたエネルギーをインバータ部第２のコンデンサ２４ｂに充電する。

また、上述にように充電されたインバータ部第１のコンデンサ２４ａとインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電力を使用して、インバータ部で直流電力から交流電力に変換し、負荷４に交流電力を供給するが、負荷４の不平衡などにより、インバータ部第１のコンデンサ２４ａの電圧とインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧とが不平衡になることがある。例えば、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧が高くなった場合には、図１６（ａ）に示すように、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃをオンして、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂ→バランス部リアクトル２５ｅ→バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃ→インバータ部第２のコンデンサ２４ｂというルートでバランス部リアクトル２５ｅにエネルギーを貯める。続いて、図１６（ｂ）に示すように、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃをオフして、バランス部リアクトル２５ｅ→バランス部第１のダイオード２５ｂ→インバータ部第１のコンデンサ２４ａ→バランス部リアクトル２５ｅというルートで、バランス部リアクトル２５ｅに貯められたエネルギーをインバータ部第１のコンデンサ２４ａに充電し、両コンデンサ２４ａ、２４ｂの電圧をバランスさせる。

第１０図、第１５図および第１７図により、起動時の動作を説明する。
インバータ部第１のコンデンサ２４ａとインバータ部第２のコンデンサ２４ｂが無電荷状態である起動時、制御回路３５は交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０を接点ｂ側に切換えるとともに、バッテリ運転用スイッチ３１を開放する。
制御回路３５は、ステップＳ１で、第１５図に示すように蓄電部２３を使用して負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａをオン・オフ制御して、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂを充電する。起動時の蓄電部２３を使用してインバータ部第２のコンデンサ２４ｂを充電する動作は下記となる。

図１５（ａ）に示すように、負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａがオンしている間に、蓄電部２３→負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→蓄電部２３というルートで、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃにエネルギーを貯める。続いて、図１５（ｂ）に示すように、負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａをオフして、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→インバータ部第２のコンデンサ２４ｂ→負極側昇降圧部ダイオード２６ｅ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃというルートで、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃに貯められたエネルギーをインバータ部第２のコンデンサ２４ｂに充電する。

続いて、図１７に示すように、ステップＳ２で、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧が所定値（例えば、１００Ｖ運転時は１４１Ｖ、１２０Ｖ運転時は１８０Ｖ）以上になったか判定し、所定値未満の場合はステップＳ１に戻り、蓄電部２３を使用してインバータ部第２のコンデンサを充電する処理を実行する。蓄電部２３と負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａと負極側昇降圧部リアクトル２６ｃとインバータ部第２のコンデンサ２４ｂと負極側昇降圧部ダイオード２６ｅとは反転チョッパ回路を構成しており、負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａをオン・オフ制御することにより、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂを任意の電圧まで昇圧を行う。

ステップＳ２で、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧が所定値以上の場合は、続いて、ステップＳ３で、図１６に示すようにバランス部第２の半導体スイッチ２５ｃをオン・オフ制御して、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂからインバータ部第１のコンデンサ２４ａを第２のインバータ部コンデンサ２４ｂと同電圧になるように充電する。インバータ部第２のコンデンサ２４ｂからインバータ部第１のコンデンサ２４ａを充電する動作は下記となる。

図１６（ａ）に示すように、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃがオンしている間に、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂ→バランス部リアクトル２５ｅ→バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃ→インバータ部第２のコンデンサ２４ｂというルートで、バランス部リアクトル２５ｅにエネルギーを貯める。続いて、図１６（ｂ）に示すように、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃをオフしている間に、バランス部リアクトル２５ｅ→バランス部ダイオード２５ｂ→インバータ部第１のコンデンサ２４ａ→バランス部リアクトル２５ｅというルートで、バランス部リアクトル２５ｅに貯められたエネルギーをインバータ部第１のコンデンサ２４ａに充電する。バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃをオン・オフ制御することにより、インバータ部第１のコンデンサ２４ａを任意の電圧まで昇圧を行う。

ステップＳ４で、制御回路３５はインバータ部第１のコンデンサ２４ａの電圧およびインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧が平衡になったか判定する。インバータ部第１のコンデンサ２４ａの電圧およびインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧が平衡でない場合は、ステップＳ３に戻り、第１６図に示すようにバランス部第２の半導体スイッチ２５ｃをオン・オフ制御して、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂからインバータ部第１のコンデンサ２４ａを充電する処理を実行する。

ステップＳ５で、制御回路３５はインバータ部第１のコンデンサ２４ａの電圧およびインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧が所定値以上（例えば、１００Ｖ運転時は１４１Ｖ、１２０Ｖ運転時は１８０Ｖ）になったか判定し、インバータ部第１のコンデンサ２４ａの電圧およびインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧が所定値未満の場合は、ステップＳ１〜ステップＳ４の処理を実行し、インバータ部第２のコンデンサ２４ｂおよびインバータ部第１のコンデンサ２４ａを充電する。

ステップＳ５で、インバータ部第１のコンデンサ２４ａの電圧およびインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧が所定値以上の場合、制御回路３５はステップＳ６で交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０を接点ａに切換え、交流電源１と接続し、交流電源１による運転を行う。この時、バッテリ運転用スイッチ３１は、起動時に開放した状態のままである。

図１１から図１６を用い、交流電源１の電圧低下が小さい時の補償時間延長動作について説明する。
交流電源１の電圧がＡＣ８０Ｖ〜ＡＣ９０Ｖの時、交流電源の電圧が正の場合、図１１（ａ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂがオンして、交流電源１→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→リアクトル２９→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ１→コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ４→交流電源１というルートで、リアクトル２９にエネルギーを貯める。

続いて、図１１（ｂ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオフして、リアクトル６→逆流阻止用第１のダイオード２１→インバータ部第１のコンデンサ２４ａ→交流電源１→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→リアクトル２９というルートで、リアクトル２９に貯められたエネルギーをコンバータ部第１のコンデンサ２４ａに充電する。この時、供給レベル演算部１０ｂは、電流センサ１０ａからの電流信号と電圧センサ１１からの電圧信号とから交流電源１から供給される電力を計測する。制御回路３５は、供給レベル演算部１０ｂが計測した電力を監視しながら、電圧センサ１１が計測する交流電源１の電圧変動値に基づき、例えば定格を４ｋＷとすると、定格４ｋＷの８０％の電力である３．２ｋＷを上限値として電力変換を行うようにコンバータ部半導体スイッチ２７ｂを制御する。

交流電源１が負の場合、図１２（ａ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオンして、交流電源１→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ２→コンバータ部半導体スイッチ２７ｂ→ダイオードブリッジ２７ａのダイオード２７ａ３→リアクトル２９→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→交流電源１というルートで、リアクトル２９にエネルギーを貯める。続いて、図１２（ｂ）に示すように、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂをオフして、リアクトル２９→交流電源／バッテリ切換えスイッチ３０→交流電源１→インバータ部第２のコンデンサ２４ｂ→逆流阻止用第２のダイオード２２→リアクトル２９というルートで、リアクトル２９に貯められたエネルギーをインバータ部第２のコンデンサ２４ｂに充電する。

交流電源の電圧が正の場合と同様に、制御回路３５は、供給レベル演算部１０ｂが計測した電力を監視しながら、電圧センサ１１が計測する交流電源１の電圧変動値に基づいて、コンバータ部半導体スイッチ２７ｂを、例えば定格電力の８０％である３．２ｋＷを上限値として電力変換するように制御する。負荷４の電力が例えば４ｋＷであれば、交流電源１から供給される電力では不足するので、インバータ部第１のコンデンサ２４ａおよびインバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧は低下する。

不足電力を補う為に、制御回路３５は、図１５（ａ）に示すように、負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａがオンしている間に、蓄電部２３→負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→蓄電部２３というルートで、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃにエネルギーを貯める。続いて、図１５（ｂ）に示すように、負極側昇降圧部半導体スイッチ２６ａをオフして、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃ→インバータ部第２のコンデンサ２４ｂ→負極側昇降圧部ダイオード２６ｅ→負極側昇降圧部リアクトル２６ｃというルートで、負極側昇降圧部リアクトル２６ｃに貯められたエネルギーをインバータ部第２のコンデンサ２４ｂに充電する。

ここでは例えば不足分の０，８ｋＷが供給される。インバータ部第２のコンデンサ２４ｂの電圧がインバータ部第１のコンデンサ２４ａの電圧より高くなると、制御回路３５は、図１６（ａ）に示すように、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃがオンして、バランス部リアクトル２５ｅにエネルギーを貯める。続いて、図１６（ｂ）に示すように、バランス部第２の半導体スイッチ２５ｃをオフし、バランス部リアクトル２５ｅに貯められたエネルギーをインバータ部第１のコンデンサ２４ａに充電する。ここで前記０．８ｋＷの半分の０．４ｋＷがインバータ部第１のコンデンサ２４ａに供給されるとバランスが取れる。

本実施の形態によれば、交流電源１の電圧変動値に基づき、コンバータ部２７または蓄電部２３から供給する電力の上限値を制御することにより、蓄電部としてバッテリ以外の蓄電素子も使用可能とし、無停電電源装置を交流電源の電圧低下分を補償する電圧変動補償装置としても使用することができる。

ところで、上記説明では、インバータ部を構成する直列接続された半導体スイッチの接続点を交流電源の一端と交流出力の一端を結合した共通線と接続し、インバータ部を構成する直列接続された半導体スイッチの両端を正極側電圧線、負極側電圧線間に接続したハーフブリッジ回路を使用した無停電電源装置の例を説明したが、フルブリッジ回路の場合にも利用できることはいうまでもない。

２ 第１の電力変換部、３ 第１のコンデンサ、５ 第２の電力変換部、
６ 蓄電部、７ 充放電回路、８ 蓄電種別判定部、９ 設定部、３５ 制御回路、
１００ 無停電電源装置。

Claims (11)

1. 異なる蓄電容量を持つ複数の蓄電素子のいずれか一つが選択的に使用される蓄電部と、交流電源の電力により前記蓄電部の充電を行う充電手段と、
   前記交流電源の電力を直流電力に変換する第１の電力変換手段と、
   この第１の電力変換手段の出力を交流電力に変換する第２の電力変換手段と、
   前記交流電源の異常時に前記蓄電部のエネルギーを放電し、前記第２の電力変換手段に直流電力を供給する第３の電力変換手段と、
   前記交流電源の電圧変動値に基づいて、前記第１の電力変換手段または第３の電力変換手段の出力する直流電力の上限値を制御する制御回路とを備え、
   前記交流電源の電圧変動値が所定値より小さいときには、前記第１の電力変換手段及び前記第３の電力変換手段の両方から前記第２の電力変換手段に直流電力を供給することを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記蓄電部は異なる充電完了電圧を持ち、前記蓄電部の充電または放電特性に基づいて前記蓄電素子の種別を判別する蓄電種別判定部と、該蓄電種別判定部により判定された前記蓄電素子の種別に応じて前記充電手段の充電完了電圧を設定する設定部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記蓄電種別判定部は、前記蓄電部の両端電圧を計測する電圧センサと、前記蓄電部に流れる電流を計測する電流センサと、前記蓄電部への充電時間または前記蓄電部からの放電時間を計測する計時手段とを有し、
   前記電流センサにより計測される電流値と前記計時手段により計測される前記充電時間または前記放電時間との積算値と、前記蓄電部の両端電圧の変化値と、に基づいて前記蓄電素子の種別を判定することを特徴とする請求項２に記載の無停電電源装置。
4. 前記蓄電種別判定部は、前記蓄電部の両端電圧を計測する電圧センサと、前記蓄電部への充電時間を計測する計時手段とを備え、
   前記充電手段により前記蓄電部が所定値の電流で充電されるときに、前記計時手段により計測される前記充電時間と前記蓄電部の両端電圧の上昇値とに基づいて蓄電素子の種別を判定することを特徴とする請求項２に記載の無停電電源装置。
5. 前記蓄電部は、第１の充電完了電圧を持つ第１の蓄電素子と、
   前記第１の充電完了電圧より高い電圧である第２の充電完了電圧を持つ第２の蓄電素子とが選択的に使用されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の無停電電源装置。
6. 前記蓄電部の充放電動作を禁止する禁止手段を有し、
   前記禁止手段は、前記蓄電種別判定部が第２の蓄電素子と判定している場合において前記蓄電部の充放電動作を禁止したとき、前記蓄電部の両端電圧を所定電圧以下に放電させることを特徴とする請求項５に記載の無停電電源装置。
7. 前記蓄電部からの放電エネルギーを記録する第１の記録部を有し、
   この第１の記録部は、放電が行われる毎に前記蓄電部が１回の放電で使用した放電エネルギー値を記憶することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
8. 第１の記録部は、過去の所定回数の放電エネルギー値を記憶することを特徴とする請求項７に記載の無停電電源装置。
9. 第１の記録部は、記憶した放電エネルギー値に基づいて、所定の割合を満足する最小放電エネルギー値を求めることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の無停電電源装置。
10. 蓄電部からの放電回数を記憶する第２の記録部を有し、この第２の記録部は、放電が行われる毎に前記蓄電部が１回の放電で使用した放電エネルギー値に応じた放電回数を記憶することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の無停電電源装置。
11. 第２の記録部は、記憶した放電エネルギー値に応じた放電回数に基づいて所定の割合を満足する最小放電エネルギー値を求めることを特徴とする請求項１０に記載の無停電電源装置。

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