JP3676340B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、無停電電源装置に関するものであり、特に、出力波形として矩形波を出力し、導通角と波高値とを可変とする無停電電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近のエレクトロニクス技術の進歩と共に、インバータ技術は普及し、機器の低損失化、小型化を実現してきた。パソコン、冷蔵庫、エアコン、蛍光灯などに代表される最近の家電機器の多くは、その内部にインバータが組み込まれている。このインバータが組み込まれた家電機器は、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの切り換えが不要であるとか、静音、省電力といった特徴を有しているので、今後、さらに、増加して行くものと予想される。一方、このインバータが組み込まれた家電機器は、負荷に流れる高調波電流に起因する高調波ノイズが発生するといった問題点が指摘されている。
【０００３】
この高調波ノイズは、全世界で深刻化している１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度の電気ノイズである。また、高調波ノイズの多い環境では電気機器の焼損や、電気機器の誤動作等の発生の可能性があるとも言われている。この高調波ノイズの対策としては、例えば、ヨーロッパにおいては、基本的に、ＩＥＣ（国際電気標準会議）の基準に準拠した対策が行われている。一方、日本では、経済産業省より「家電・汎用品の高調波抑止対策ガイドライン」が通達されており、このガイドラインに沿った自主規制が行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の規制は機器側に対する対策であり、この対策をすべての機器に義務づけたとしたならば、機器の製造コストが増大してしまうという問題点がある。また、高調波ノイズに対する対策回路の付加は、機器の小型化を阻害するという問題点もある。もし、この高調波ノイズ対策が、電源装置側で実施できたとしたら、機器の製造者への負担を軽減できるとともに、機器の製造コストの増大と、機器の小型化への阻害という要因を排除することができる。
【０００５】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高調波ノイズ対策に伴う、機器の製造コストの増大と、機器の小型化への阻害という要因を排除するために、高調波ノイズ対策を電源装置側で実現するとともに、負荷に流れる高調波電流に起因する高調波ノイズの発生を抑制できる無停電電源装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる無停電電源装置にあっては、商用電源からの交流出力を直流出力に変換する整流部と、該整流部の出力に接続した二次電池と、該二次電池が出力する直流出力を交流出力に変換するインバータと、該インバータが出力する出力電流を一定値以下に制限する定電流部と、該定電流部の出力に含まれるノイズ成分を除去した出力を負荷に供給するノイズフィルタと、を備えた無停電電源装置において、前記インバータが出力する出力電流の導通角、または導通角および波高値を制御するインバータ制御部を備え、前記インバータ制御部は、前記インバータが出力する出力電流の導通角および波高値を制御する場合には、前記商用電源の出力の実効電力と該インバータの出力の実効電力とが略等しくなるように制御することを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、インバータ制御部は、負荷に高調波電流が流れないようにインバータが出力する出力電流の導通角を制御することでインバータのスイッチング素子（図示せず）に貫通電流が流れるのを防止している。また、この発明によれば、インバータ制御部は、負荷に高調波電流が流れないようにインバータが出力する出力電流の導通角および波高値を制御する場合には、商用電源が出力する交流出力の実効電力とインバータの出力の実効電力とが略等しくなるようにインバータが出力する出力電流の導通角および波高値を制御することで、過大な電力が負荷に供給されるのを防止している。
【０００８】
つぎの発明にかかる無停電電源装置にあっては、前記インバータ制御部は、前記負荷が整流負荷の場合に導通角を１８０度から僅かに小さくしたことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、インバータ制御部は、負荷が整流負荷の場合に導通角を１８０度から僅かに小さくして、インバータのスイッチング素子（図示せず）に貫通電流が流れるのを防止している。
【００１２】
つぎの発明にかかる無停電電源装置にあっては、前記インバータ制御部は、前記負荷がトランス負荷の場合に、前記インバータが出力する出力電流の導通角を略９０度に設定し、かつ、波高値を前記交流出力の波高値に設定することを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、インバータ制御部は、負荷がトランス負荷の場合に、インバータが出力する出力電流の導通角を略９０度に設定し、かつ、波高値を交流出力の波高値に設定するようにして、負荷に供給する実効値を商用電源で供給する場合と等しくしている。
【００１４】
つぎの発明にかかる無停電電源装置にあっては、前記インバータ制御部は、前記負荷が抵抗負荷の場合に、前記インバータが出力する出力電流の導通角を略１８０度に設定し、かつ、波高値を前記交流出力の波高値の略１／√２に設定することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、インバータ制御部は、負荷が抵抗負荷の場合に、インバータが出力する出力電流の導通角を略１８０度に設定し、かつ、波高値を交流出力の波高値の略１／√２に設定するようにして、負荷に供給する実効値を商用電源で供給する場合と等しくしている。
【００１６】
つぎの発明にかかる無停電電源装置にあっては、前記インバータの出力および前記商用電源の出力のいずれか一つを選択する切り替え部と、前記ノイズフィルタの出力を監視する波形監視部とをさらに備え、前記波形監視部は、前記ノイズフィルタの出力から所望の波形出力が得られない場合に、前記切り替え部を制御して前記商用電源の出力を選択することを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、切り替え部は、インバータの出力および商用電源の出力のいずれか一つを選択し、波形監視部は、ノイズフィルタの出力を監視する。このとき、波形監視部は、ノイズフィルタの出力から所望の波形出力が得られない場合に切り替え部を制御して商用電源の出力を選択するようにしている。
【００１８】
つぎの発明にかかる無停電電源装置にあっては、前記波形監視部は、前記負荷の種類に応じて前記インバータ制御部から出力される負荷選択信号に基づいて前記負荷の種類に応じた波形監視を行うことを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、波形監視部は、負荷の種類に応じてインバータ制御部から出力される負荷選択信号を受信し、負荷の種類に応じた最適な波形監視を行うようにしている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる無停電電源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２１】
図１は、商用電源の出力が供給されたインバータ内蔵の負荷（以下「整流負荷」という。）に流れる電流を示す説明図である。同図において、波形Ｋ１は、整流負荷に印加される商用電源の電圧波形を示し、波形Ｋ２は、商用電源が印加された際にこの整流負荷に流れる電流の電流波形を示している。整流負荷に商用電源が印加された場合、商用電源の電圧の絶対値がある値を超えたときだけに電流が流れるといった現象を生ずる。すなわち、同図に示すように、波形Ｋ１の実線の部分において、波形Ｋ２の実線の部分のような先の尖ったパルス状の電流が流れることになる。このパルス状の電流は、上述したような高調波電流を含んでいるので、この高調波電流に起因して多数の高周波ノイズが発生することになる。このパルス状の電流が流れる現象は、たとえ、商用電源から供給される電圧がきれいな正弦波であったとしても、避けることができない現象である。
【００２２】
図２は、この発明の実施の形態にかかる無停電電源装置１０の構成を示すブロック図である。同図に示すように、この無停電電源装置１０は、整流部１１と、二次電池１２と、インバータ１３と、定電流部１４と、ノイズフィルタ１５と、切り替え部１６と、波形監視部１７と、インバータ制御部１８とを備えている。
【００２３】
図２において、整流部１１は、商用電源の交流電力を直流電力に変換し、二次電池１２に電力を供給する。二次電池１２は、整流部１１によって充電され、この充電により保持された所定の電圧をインバータ１３に出力する。インバータ１３は、インバータ制御部１８からの制御信号に従って、矩形波の交流出力を出力する。定電流部１４は、インバータ１３が出力する矩形波の立ち上がり時や各周期ごとのスパイク電流を抑制するために一定以上の電流が流れないように電流制限を行う。ノイズフィルタ１５は、一般的なノイズ対策用のフィルタであり、コモンモードノイズとノーマルモードノイズの双方に機能する。切り替え部１６は、無停電電源装置としての通常の機能を果たすための接続スイッチであり、インバータ１３の出力および商用電源の出力のいずれか一つを接続するように動作する。波形監視部１７は、ノイズフィルタ１５の出力を監視し、インバータ１３などの故障により所望の矩形波出力が得られない場合には、切り替え部１６を切り替えるための切り替え信号を出力する。インバータ制御部１８は、負荷の種類に応じて、インバータ１３が出力する矩形波出力の導通角を制御する導通角制御信号や、矩形波出力の波高値を制御する波高値制御信号をインバータ１３に対して出力し、また、波形監視部１７がノイズフィルタ１５の矩形波出力を監視する際に必要な負荷選択信号を波形監視部１７に対して出力する。
【００２４】
図３は、この実施の形態にかかる無停電電源装置１０の入出力波形を示す説明図である。同図において、波形Ｋ３は、無停電電源装置１０に印加される商用電源の電圧波形を示し、波形Ｋ４および波形Ｋ５は、無停電電源装置１０が出力する電圧波形を示している。これらの矩形波出力が、インバータ制御部１８がインバータ１３に出力する波高値制御信号および導通角制御信号制御によって得られることは上述したとおりである。なお、通常のインバータはスイッチング素子を備えており、このスイッチング素子をオンまたはオフするための制御信号の時間幅を制御することによって導通角が可変できることは公知技術であり、同様に、波高値を可変することも公知技術であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００２５】
図３において、波形Ｋ４と波形Ｋ５とを比較すると、波形Ｋ４は波形Ｋ５よりも波高値が低く、逆に、導通角が広くなっている。このように制御するのは、負荷に供給する電力を等しくする（すなわち実効値を等しくする）ためである。例えば、交流電動機、ＣＲＴディスプレィなどのトランス負荷では、波高値を高くし、導通角を狭く設定する。パソコンやインバータエアコンなどの整流負荷では、波高値を低くし、導通角を広く設定するのが好適である。白熱電球や電熱器などの抵抗負荷では、さらに波高値を低くし、さらに導通角を広く設定するのが好適である。特に、インバータ機器においては、スイッチング素子がカスケードに接続されており、このスイッチング素子が同時にオンすることによる貫通電流を防止するために、デッドタイムの設定が必要である。このため、このデッドタイムに応じて導通角を１８０度から僅かに小さく設定する必要がある。図３に示した期間Ｌ１の部分が、このデッドタイムに相当する時間を示している。
【００２６】
いま、商用電源の電圧の最大振幅をＡとし、無停電電源装置１０が出力する矩形波出力の振幅をＢとし、導通角をθ（ｄｅｇ）とする。このとき、商用電源の実効値と矩形波出力の実効値が等しい場合に、ＡとＢとの間には、一般的には
Ｂ＝Ａ×√（９０／θ） ・・・・・（式１）
の関係がある。
【００２７】
例えば、抵抗負荷において、導通角を略１８０°に設定するのがより好適であり、式１から、Ｂ＝Ａ／√２となる。すなわち、無停電電源装置１０の出力が商用電源の電圧の最大振幅の略１／√２になるように設定すればよい。同様に、トランス負荷では、導通角を略９０°程度に設定するのがより好適であり、導通角が９０°の場合、式１から、Ｂ＝Ａとなる。すなわち、無停電電源装置１０の出力と商用電源の電圧の最大振幅を同程度に設定すればよい。
【００２８】
整流負荷の場合には、後述するリップル平滑用コンデンサの劣化（容量抜け）時でも、正常動作ができるように可能な限り、導通角を広くすることが望ましい。したがって、上述したように、導通角を１８０度からデッドタイムに応じた僅かな時間だけ減じた値に設定することがより好適である。
【００２９】
図４（ａ）は、商用電源の出力が供給された整流負荷に流れる電流を示す図１の説明図の再掲図であり、（ｂ）は、この発明にかかる無停電電源装置１０の出力が供給された整流負荷に流れる電流を示す説明図である。上述したように、整流負荷に商用電源が印加された場合には、商用電源の電圧の絶対値が所定値を超えたときだけに電流が流れるといった現象を生ずるので、同図（ａ）に示すような高調波電流を含んだパルス状の電流が流れ、この高調波電流に起因して多数の高周波ノイズが発生する。
【００３０】
一方、図４（ｂ）において、波形Ｋ６は、無停電電源装置１０に印加される商用電源の電圧波形であり、波形Ｋ７は、整流負荷に印加される無停電電源装置１０の矩形波出力の電圧波形である。同図に示すように、波形Ｋ７は、導通角を広く設定した信号であって電圧の絶対値が所定値を超える期間が長く、負荷電流が流れる期間を長くすることができる。そのため、波形Ｋ８に示すように、負荷電流のピーク値を下げることができるとともに、負荷電流の波形を正弦波形状に近似させることができる。このようにして、負荷に流れる高調波電流を制限することができ、高調波電流に起因した高周波ノイズの発生を抑制することができる。
【００３１】
図５（ａ）は、整流負荷に商用電源から正弦波出力が印加されたときに、この整流負荷に備えられた平滑用コンデンサの電圧変化を示す説明図であり、（ｂ）は、整流負荷に無停電電源装置１０から矩形波出力が印加されたときに、この整流負荷に備えられた平滑用コンデンサの電圧変化を示す説明図である。
【００３２】
図５（ａ）において、波形Ｋ９は、図示しない整流負荷に商用電源から正弦波出力が印加されたときに、この整流負荷の整流部の出力を示している。通常、整流負荷には、整流部から出力されたリップル電圧を平滑化するための平滑用コンデンサが備えられている。この平滑用コンデンサが正常なときは、この平滑用コンデンサの端子電圧は、波形Ｋ１０に示すような特性、すなわち、正弦波出力の波高値付近の値を維持し続ける特性を有している。
【００３３】
また、波形Ｋ１１は、この平滑用コンデンサが劣化した場合の電圧特性を示している。図５（ａ）に示すように、この平滑用コンデンサの両端の電圧は、正弦波出力の波高値付近の値を維持し続けることができず、正弦波出力の谷の部分で電圧降下が起こる。このように、平滑用コンデンサが劣化する場合には、リップルの多い電圧が後段の回路に供給されることになるので、機器の動作に悪影響を与えたり、場合によっては、機器が動作しなくなることもある。
【００３４】
一方、図５（ｂ）において、波形Ｋ１２は、商用電源から出力される正弦波出力であり、波形Ｋ１３は、無停電電源装置１０からの矩形波出力が印加されたときの整流負荷の整流部の出力を示している。また、波形Ｋ１３と波形Ｋ１４とを併せた波形は、平滑用コンデンサの端子電圧を示している。前述したように、整流負荷の場合には、デッドタイムに相当する微少時間を除いて導通角を広く設定するようにしている。したがって、波形Ｋ１４が示すように、矩形波電圧が印加されない期間であっても、ほぼ波高値に等しい電圧を維持することができる。また、このデッドタイムに相当する時間は、僅かな時間なので、平滑用コンデンサの劣化が生じた場合でも、コンデンサ容量が零にならない限り、動作に悪影響を及ぼさない波高値電圧を維持することができる。
【００３５】
以上説明したように、この実施の形態によれば、商用電源からの交流出力を直流出力に変換する整流部１１と、整流部１１の出力に接続した二次電池１２、二次電池１２が出力する直流出力を交流出力に変換するインバータ１３と、インバータ１３が出力する出力電流を一定値以下に制限する定電流部１４と、定電流部１４の出力に含まれるノイズ成分を除去した出力を負荷に供給するノイズフィルタ１５と、インバータ１３が出力する出力電流の導通角および波高値を制御するインバータ制御部１８とを備えるようにしているので、負荷に流れる高調波電流を抑制することができ、高調波ノイズの発生を防止することができる。
【００３６】
また、この実施の形態によれば、インバータ制御部１８は、負荷が整流負荷の場合に導通角を１８０度から僅かに小さく設定するようにしているので、インバータ１３のスイッチング素子（図示せず）に貫通電流が流れるのを防止することができる。また、導通角が大きいので力率が高くなり、無停電電源装置の実効負荷容量を大きくすることができる。さらに、平滑用コンデンサが劣化した場合であっても、その影響を受けることなく動作させることができる。
【００３７】
また、この実施の形態によれば、インバータ制御部１８は、商用電源が出力する交流出力の実効電力とインバータ１３の出力の実効電力とが等しくなるようにこのインバータ１３が出力する出力電流の導通角および波高値を制御するようにしているので、過大な電力が負荷に供給されるのを防止することができる。
【００３８】
また、この実施の形態によれば、インバータ制御部１８は、負荷がトランス負荷の場合に、インバータ１３が出力する出力電流の導通角を略９０度に設定し、かつ、波高値を交流出力の波高値に設定するようにしているので、過大な電力が負荷に供給されるのを防止することができる。
【００３９】
また、この実施の形態によれば、インバータ制御部１８は、負荷が抵抗負荷の場合に、インバータ１３が出力する出力電流の導通角を略１８０度に設定し、かつ、波高値を前記交流出力の波高値の略１／√２に設定するようにしているので、過大な電力が負荷に供給されるのを防止することができる。
【００４０】
また、この実施の形態によれば、インバータ１３の出力および商用電源の出力のいずれか一つを選択する切り替え部１６と、ノイズフィルタ１５の出力を監視する波形監視部１７とをさらに備え、波形監視部１７は、ノイズフィルタ１５の出力から所望の波形出力が得られない場合に、切り替え部１６を制御して商用電源の出力を選択するようにしているので、インバータ１３などの故障により所望の矩形波出力が得られない場合であっても、負荷に電力を供給することができる。
【００４１】
また、この実施の形態によれば、波形監視部は、インバータ制御部から出力される負荷選択信号に基づいて波形監視を行うようにしているので、負荷の種類に応じた最適な波形監視を行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、負荷に高調波電流が流れないようにインバータが出力する出力電流の導通角および波高値を制御するようにしているので、負荷に流れる高調波電流を抑制することができ、高調波ノイズの発生を防止することができるという効果を奏する。また、高調波ノイズ対策を電源装置側で実現することができるので、この対策に伴う機器の製造コストの増大を防止し、機器の小型化への阻害要因を排除することができるという効果を奏する。
【００４３】
また、この発明によれば、負荷が整流負荷の場合に導通角を１８０度から僅かに小さく設定するようにしているので、力率を高くすることができ、無停電電源装置の実効負荷容量を大きくすることができるという効果を奏する。さらに、負荷の平滑用コンデンサが劣化した場合であっても、その影響を受けることなく動作させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】商用電源の出力が供給された整流負荷に流れる電流を示す説明図である。
【図２】この実施の形態にかかる無停電電源装置の構成を示すブロック図である。
【図３】この実施の形態にかかる無停電電源装置の入出力波形を示す説明図である。
【図４】（ａ）は、商用電源の出力が供給された整流負荷に流れる電流を示す図１の説明図の再掲図であり、（ｂ）は、無停電電源装置の出力が供給された整流負荷に流れる電流を示す説明図である。
【図５】（ａ）は、整流負荷に商用電源から正弦波出力が印加されたときに、この整流負荷に備えられた平滑用コンデンサの電圧変化を示す説明図であり、（ｂ）は、整流負荷に無停電電源装置から矩形波出力が印加されたときに、この整流負荷に備えられた平滑用コンデンサの電圧変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 無停電電源装置
１１ 整流部
１２ 二次電池
１３ インバータ
１４ 定電流部
１５ ノイズフィルタ
１６ 切り替え部
１７ 波形監視部
１８ インバータ制御部
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６，Ｋ７，Ｋ８，Ｋ９，Ｋ１０，Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３，Ｋ１４ 波形
Ｌ１ 期間

Claims (6)

1. 商用電源からの交流出力を直流出力に変換する整流部と、該整流部の出力に接続した二次電池と、該二次電池が出力する直流出力を交流出力に変換するインバータと、該インバータが出力する出力電流を一定値以下に制限する定電流部と、該定電流部の出力に含まれるノイズ成分を除去した出力を負荷に供給するノイズフィルタと、を備えた無停電電源装置において、
   前記インバータが出力する出力電流の導通角または、導通角および波高値を制御するインバータ制御部を備え、
   前記インバータ制御部は、前記インバータが出力する出力電流の導通角および波高値を制御する場合には、前記商用電源の出力の実効電力と該インバータの出力の実効電力とが略等しくなるように制御することを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記インバータ制御部は、前記負荷が整流負荷の場合に導通角を１８０度から僅かに小さくし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. 前記インバータ制御部は、前記負荷がトランス負荷の場合に、前記インバータが出力する出力電流の導通角を略９０度に設定し、かつ、波高値を前記交流出力の波高値に設定することを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
4. 前記インバータ制御部は、前記負荷が抵抗負荷の場合に、前記インバータが出力する出力電流の導通角を略１８０度に設定し、かつ、波高値を前記交流出力の波高値の略１／√２に設定することを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
5. 前記インバータの出力および前記商用電源の出力のいずれか一つを選択する切り替え部と、
   前記ノイズフィルタの出力を監視する波形監視部と、
   をさらに備え、
   前記波形監視部は、前記ノイズフィルタの出力から所望の波形出力が得られない場合に、前記切り替え部を制御して前記商用電源の出力を選択することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の無停電電源装置。
6. 前記波形監視部は、前記負荷の種類に応じて前記インバータ制御部から出力される負荷選択信号に基づいて前記負荷の種類に応じた波形監視を行うことを特徴とする請求項５に記載の無停電電源装置。

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