JP3400873B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は無停電電源装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】停電時に電力を負荷に安定に供給する無
停電電源装置は、病院の手術室などでは必須の装置であ
る。 【０００３】この無停電電源装置としては、蓄電池式の
ものが一般に用いられているが、大容量化するためには
大きなスペースが必要であり、多数の電池の保守管理に
手間がかかるという欠点がある。 【０００４】また、長時間用の非常電源装置として、デ
ィーゼルエンジンなどの原動機に同期発電機を接続した
ものが使用されるが、この方式のものは、起動から正常
発電状態となるまでの所要時間が長く、緊急時に直ちに
対応して発電をすることはできない。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述したよ
うな無停電電源装置の現状に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、停電発生に対応して直ちに負荷に電力
を供給し、且つ長時間の電力供給が可能な無停電電源装
置を提供することにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、外部動力源で駆動される誘導発電機と、
該誘導発電機の出力端子に接続され、前記誘導発電機の
出力電力の制御を行う昇圧チョッパ回路と、該昇圧チョ
ッパ回路に接続され、電源電力と前記昇圧チョッパ回路
の出力電力とにより充電される蓄電池と、該蓄電池の出
力端子に接続され、前記蓄電池の出力電力を交流電力に
変換するインバータと、停電時に、前記蓄電池の出力電
力を、前記インバータを介して、負荷に電源電力として
供給すると共に、励磁電流として前記誘導発電機に供給
し、前記外部動力源により前記誘導発電機を駆動し、前
記誘導発電機の出力電力の安定後に、該安定した出力電
力を前記負荷に電源電力として供給するように、前記蓄
電池、前記昇圧チョッパ、前記インバータ及び前記誘導
発電機を制御する制御手段とを有することを特徴とする
ものである。 【０００７】 【作用】本発明では、蓄電池が常時電源電力により充電
されており、停電発生時には、蓄電池の出力電力がイン
バータで交流電力に変換され、負荷に電源電力として供
給される。同時に、蓄電池の出力電力がインバータを介
して、励磁電流として誘導発電機に供給され、誘導発電
機が外部動力源により駆動される。 【０００８】このようにして、蓄電池の出力電力が負荷
に電源電力として供給されると共に、誘導発電機の回転
速度が規定速度に達すると、昇圧チョッパ回路から誘導
発電機の出力電力が、電源電力として負荷に供給され始
める。 【０００９】そして、誘導発電機の出力電力が安定化す
ると、負荷への電力供給が、昇圧チョッパ回路からの誘
導発電機の出力電力に基づいた電力に切換えられ、蓄電
池は、昇圧チョッパ回路からの誘導発電機の二次すべり
電力により充電される。 【００１０】 【実施例】以下に本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。 【００１１】図１は本実施例の構成を示す回路図、図２
は本実施例の要部の構成を示す回路図である。 【００１２】本実施例には、図１に示すように、直流電
動機１で駆動される誘導電動機２が設けられ、誘導電動
機２の出力端子が、整流回路３を介して、昇圧チョッパ
回路Ｃの入力端子ｔ１、ｔ２に接続されている。この昇
圧チョッパ回路Ｃは、入力端子ｔ１と出力端子ｔ３間に
接続されるリアクタ４及びダイオード５の直列接続回路
と、リアクタ４及びダイオード５の接続点にコレクタが
接続され、入力端子ｔ２にエミッタが接続されるスイッ
チングトランジスタ６とから構成されている。 【００１３】この昇圧チョッパ回路Ｃの出力端子ｔ３、
ｔ４間に、蓄電池７が接続され、蓄電池７に並列にイン
バータ８が接続されている。また、電源１０が設けら
れ、この電源１０の出力端子が、整流回路１１を介して
負荷９に接続され、インバータ８の出力端子は、リアク
タ２２を介して、整流回路１１及び負荷９の接続点に接
続されている。 【００１４】さらに、インバータ８の出力端子は、リア
クタ２２及び帰還回路２０を介して、スイッチングトラ
ンジスタ６のベースに接続され、同様にインバータ８の
出力端子は、リアクタ２２を介して誘導発電機２に接続
されている。 【００１５】この帰還回路２０は、図２に示すような構
成になっていて、インバータ８の出力端子が、リアクタ
２２を介して整流回路１５に接続され、整流回路１５の
出力端子が、ＰＩＤコントローラ１６を介して、コンパ
レータ１８の非反転入力端子に接続されている。一方、
コンパレータ１８の反転入力端子には、鋸歯状波電力発
生回路１７が接続され、コンパレータ１８の出力端子
が、スイッチングトランジスタ６のベースに接続されて
いる。 【００１６】このような構成の本実施例の動作を、図面
を参照して説明する。 【００１７】図３は本実施例の動作を示す回路説明図、
図４は本実施例の誘導発電機の回転速度に対する特性を
示す説明図、図５は本実施例の誘導発電機の負荷に対す
る特性を示す説明図、図６は本実施例の誘導発電機の一
定負荷時の特性図、図７は本実施例の誘導発電機の負荷
増加時の特性図、図８は本同実施例の誘導発電機の負荷
減少時の特性図である。 【００１８】通常受電時には、蓄電池７は電源１０よ
り、整流回路１１及びインバータ２２を介して充電さ
れ、或いは負荷の力率改善に利用されている。この場
合、直流電動機１は停止しており、誘導発電機２は停止
している。昇圧チョッパ回路Ｃの不作動時には、誘導発
電機２の二次側は開放され、一次側に給電されていても
発電機動作は行われない。 【００１９】停電時には、蓄電池７からインバータ８を
介して負荷９への電力供給が開始され、同時に直流電動
機１によって誘導発電機２が駆動される。この時、誘導
発電機２は二次側が開放された無負荷状態にあるので急
加速され、回転速度が同期速度以上になると、昇圧チョ
ッパ回路Ｃが作動して発電が行われ、負荷９への出力が
自動的にインバータ８から誘導電動機２に切り換えられ
る。 【００２０】本実施例では、誘導発電機２の出力を整流
回路３で全波整流し、すべり電力を直流電力として取出
し、昇圧チョッパ回路Ｃを介して蓄電池７に電力が供給
され、インバータ８は蓄電池７に貯えられている電力
を、リアクトル２２を介して、誘導発電機２の一次側に
送り、該一次側を一定周波数で励磁し、誘導発電機２の
発電が行われる。この時の誘導発電機２の回転速度は、
同期速度を越えていることが必要である。 【００２１】誘導発電機２の一次相電圧をＥｓとした場
合、整流回路３の直流部の電圧Ｅｄｃは、誘導発電機２
の巻線比をｎ、すべりをｓとして（１）式で示される。 【００２２】 Ｅｄｃ＝（３・６^1/2 ）／π）・（ｓＥｓ／ｎ） （１） 昇圧チョッパ回路Ｃは、ＯＮ時にリアクトル４にエネル
ギを貯え、ＯＦＦ時に蓄電池７にエネルギを放出するこ
とにより、直流電圧Ｅｄを整流電圧Ｅｄｃより上昇させ
る。この場合のデューティファクタｄＦは（２）式で与
えられる。 【００２３】 ｄＦ＝ｔＯＮ／（ｔＯＮ＋ｔＯＦＦ） （２） 昇圧チョッパ回路ＣをデューティファクタｄＦで作動さ
せた場合の直流電圧Ｅｄは、（３）式で表わされる。 【００２４】 Ｅｄ＝Ｅｄｃ／（１−ｄＦ） （３） リアクトルの抵抗分による電圧降下を無視し、直流電圧
Ｅｄからインバータ８の発生相電圧の電圧変換係数をα
として、（１）（３）式よりインバータ８の発生相電圧
Ｅｓａを求めると、（４）式のようになる。 【００２５】 Ｅｓａ＝α（３・６^1/2 ）・（ｓＥｓ）／｛（１−ｄＦ）・（πｎ）｝（４） 誘導発電機２の電圧が確立するためには、システム一巡
の電圧利得が１以上あればよいので、その条件式は
（５）式のようになる。 【００２６】 ｓα（３・６^1/2 ）／｛（１−ｄＦ）・（πｎ）｝≧１ （５） ここでデューティファクタｄＦは、理論上０≦ｄＦ＜１
の値を取ることができるために、（５）式によりデュー
ティファクタｄＦによって装置の制御を行うことができ
る。 【００２７】負荷９に安定した電力を供給するために
は、負荷９や誘導発電機２の回転速度変化に対しても、
電圧を一定に保持する必要がある。このために、本実施
例では、図２に示すような帰還回路２０を使用してい
る。この場合、フィードバックされるファクタは、負荷
に供給される交流電圧Ｅｓであり、設定電圧Ｖｒｅｆと
比較するために、Ｅｓは整流器とフィルタによって平滑
して制御入力電圧Ｖｄに変換されている。ＶｒｅｆとＶ
ｄの差電圧Ｖｅｒｒは、ＰＩＤコントローラ１６を通し
て鋸歯状波と比較されｄＦを得るようにしている。 【００２８】図３（ａ）は通常受電時であり、電源１０
の電力が、整流回路１１、リアクタ２２、インバータ８
を介して蓄電池７に供給され、蓄電池７は電源１０の電
力によって充電されている。 【００２９】同図（ｂ）は停電切換が行われた瞬間で、
蓄電池７よりインバータ８を介して負荷９に有効電力が
供給される。同時に、直流電動機１によって誘導発電機
２が回転を開始する。 【００３０】同図（ｃ）は、誘導発電機２の回転速度が
規定速度に達し、昇圧チョッパ回路Ｃによって、発電が
開始された状態で、インバータ８と誘導発電機２の双方
から有効電力が負荷９に供給される。 【００３１】同図（ｄ）は、負荷９への電力供給が蓄電
池７から誘導発電機２に完全に切り変わり、インバータ
８は負荷９と誘導発電機２に無効電力を供給している。
また、蓄電池７は、二次すべり電力により充電されてい
る。 【００３２】同図（ｅ）は蓄電池７の充電が完了し、二
次すべり電力も一次側電力と共に負荷９に供給されてい
る。 【００３３】このような動作を行う本実施例の構成部分
の特性を表１に示す。 【００３４】 【表１】【００３５】直流電動機１の回転速度を同期速度以上に
する必要があるので、インバータ８の励磁周波数を３０
Ｈｚとし、同期速度は９００ｒｐｍに下げて動作させて
いる。また、負荷９はスター結線の可変抵抗器を使用
し、直流電動機１により誘導発電機２を回転させて装置
を起動し、線間電圧Ｖｓを８０Ｖに保持した。この状態
で、回転速度を１１００ｒｐｍから１８００ｒｐｍまで
変化させた場合の諸特性の変化を図４に示す。これによ
ると、一次電力の減少に対して、インバータ８による二
次すべり電力供給が増加し、負荷電力が一定に保持され
ている。また、効率は回転速度が変化しても一定であ
る。インバータ８の電力は、同期速度に近い場合負値を
示しているが、これは二次すべり電力が小さいために、
インバータ８の損失を一次電力によって補うためであ
る。 【００３６】次に、本実施例で、回転速度を１１００ｒ
ｐｍ、線間電圧Ｖｓを８０Ｖに保ち、負荷９を変化させ
た負荷電力に対する諸特性を図５に示す。効率は５００
Ｗ近傍でピークに達している。 【００３７】図６には、発電時の電圧波形と負荷電流波
形が示されている。出力電圧波形は、歪みの少ない良好
のものが得られている。また、図７と図８には、負荷増
加時と負荷減少時の出力波形が示され、負荷電流ＩＬの
急激な変化にもかかわらず、出力電圧は一定に保持され
ている。 【００３８】以上説明したように、本実施例によると、
停電発生時に、誘電発電機２は、無負荷状態で起動し急
加速可能であり、蓄電池７からの切り換えが短時間で行
われ、負荷９に安定した電源電力を供給できる。このた
めに、本実施例では、蓄電池７の容量は小型でよく、装
置全体が小形化可能で、誘導発電機２の回転速度の精密
な制御が不要となり、発電とその停止が昇圧チョッパ回
路Ｃだけで行われ、停電時の蓄電池７から誘導発電機２
への切換がスムースに行われる。 【００３９】 【発明の効果】本発明によると、停電発生時には、電源
により充電されている蓄電池の出力電力がインバータで
交流電力に変換され、負荷に電源電力として供給され、
蓄電池の出力電力がインバータを介して、励磁電流とし
て誘導発電機に供給され、誘導発電機が外部動力源によ
り駆動され、その回転速度が規定速度に達し安定化する
と、昇圧チョッパ回路から誘導発電機の出力電力が、電
源電力として負荷に供給され、負荷への電力供給が、昇
圧チョッパ回路からの誘導発電機に切換えられ、蓄電池
は、昇圧チョッパ回路からの誘導発電機の二次すべり電
力により充電されるので、誘導発電機は、無負荷状態で
起動し急加速可能で、蓄電池からの切り換えが短時間で
行われ、停電発生時に負荷に安定した電源電力を直ちに
供給できる。これに伴って、蓄電池の容量は小型でよ
く、装置全体が小型化可能で、誘導発電機の回転速度の
精密な制御が不要となり、発電とその停止が昇圧チョッ
パ回路だけで行われ、蓄電池から誘導発電機への切換が
スムースに行われ、長時間の電力供給が可能である。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例の構成を示す回路図である。 【図２】同実施例の要部の構成を示す回路図である。 【図３】同実施例の回路図で、（ａ）〜（ｅ）はそれぞ
れ各動作の説明図である。 【図４】同実施例の誘導発電機の回転速度に対する特性
を示す説明図である。 【図５】同実施例の誘導発電機の負荷に対する特性を示
す説明図である。 【図６】同実施例の誘導発電機の一定負荷時の特性図で
ある。 【図７】同実施例の誘導発電機の負荷増加時の特性図で
ある。 【図８】同実施例の誘導発電機の負荷減少時の特性図で
ある。 【符号の説明】 １ 直流電動機 ２ 誘導発電機 ３ 整流回路 ６ スイッチングトランジスタ ７ 蓄電池 ８ インバータ ９ 負荷 １０ 電源 Ｃ 昇圧チョッパ回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−295698（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−244236（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−214238（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−66900（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 9/08 H02M 7/48 H02P 9/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 外部動力源で駆動される誘導発電機と、 該誘導発電機の出力端子に接続され、前記誘導発電機の
   出力電力の制御を行う昇圧チョッパ回路と、 該昇圧チョッパ回路に接続され、電源電力と前記昇圧チ
   ョッパ回路の出力電力とにより充電される蓄電池と、 該蓄電池の出力端子に接続され、前記蓄電池の出力電力
   を交流電力に変換するインバータと、 停電時に、前記蓄電池の出力電力を、前記インバータを
   介して、負荷に電源電力として供給すると共に、励磁電
   流として前記誘導発電機に供給し、前記外部動力源によ
   り前記誘導発電機を駆動し、前記誘導発電機の出力電力
   の安定後に、該安定した出力電力を前記負荷に電源電力
   として供給するように、前記蓄電池、前記昇圧チョッ
   パ、前記インバータ及び前記誘導発電機を制御する制御
   手段とを有することを特徴とする無停電電源装置。