JP3816487B2 - 無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、負荷に供給する交流電圧の自動電圧調整（ＡＶＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｒａｔｏｒ）を行う交流電圧制御装置に関するものであり、特に、この交流電圧制御装置に無停電電力供給（ＵＰＳ：ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）機能を付加した交流電圧制御装置に関するものである。

負荷に供給する交流電圧の自動電圧調整を行う手法として、二次巻線に複数のタップが設けられた変成器の一次巻線に交流電源を接続し、負荷を接続する対象のタップを切り替える手法が知られている。また、一次巻線巻のみを有する変成器に複数のタップを切り替えるオートトランス方式も知られている。一方、上述のような変成器を用いて交流電圧を変化させる手法とは異なる手法として、半導体スイッチを用いて断続および電圧の極性を反転させることで直流電源から交流電圧を得るためのインバータ方式も知られている。

上記の手法を用いた電圧調整装置では、商用電源が停電になったり、停電にならずとも電源電圧が許容値を逸脱するような電源異常が生じた場合などでは、負荷に電圧調整された精度のよい電圧を供給することができないため、負荷への電力供給を中止しなければならなかった。一方、ＣＶＣＦ電源装置などに代表される常時インバータ型の電源装置では、常時、安定した電圧と周波数の出力を負荷に供給することができるが、常にインバータ動作させているので効率が悪いという欠点があった。

上記の問題点を解決する従来技術として、電源系統と連系状態とされる交流電源装置において、電源電圧を調整可能とし、かつ、無停電電源の供給を可能とする技術が開示されている（例えば、特許文献１など）。この特許文献１では、蓄電池と電源系統との間に接続され蓄電池の充電または放電を制御する充放電制御用電力変換器と、充放電制御用電力変換器に接続され蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換し出力する交流出力用電力変換器と、交流出力用電力変換器の出力電圧を電源系統の電圧に重畳する電圧重畳手段とを備え、電圧重畳手段により蓄電池の電力に基づく交流電圧で電源系統の電圧値を調整可能にするとともに、電源系統の停電時に蓄電池側からの電力を交流出力用電力変換器から無停電出力として負荷側に供給するようにしている。

特開２００２−３２５４６５号公報

しかしながら、上記特許文献１などでは、両者の機能、すなわち、電圧調整機能と無停電電力供給機能とを、装置内に単に同居させているだけであり、回路規模や部品点数が増加し、コストが増大するといった欠点を有していた。

この発明は、上述した従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、電圧調整機能と無停電電力供給機能とを兼ね備えるとともに、運転効率を損なうことなく、回路規模や部品点数の増加を抑制した無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流出力供給源から出力された交流出力の自身への入力電圧が所定の範囲にある場合（通常時）に、交流出力供給源からの出力に基づいて負荷に電力を供給するＡＶＲ装置として機能させるためのＡＶＲモードと、この入力電圧が所定の範囲にない場合（異常時）に、直流電力供給源からの出力に基づいて負荷に電力を供給するＩＮＶ装置として機能させるためのＩＮＶモードと、の２つのモードを有し、複数の交流スイッチ回路の各端子がそれぞれ異なる他の交流スイッチ回路の端子とそれぞれ接続された構成のブリッジ回路において、入力電圧が所定の範囲にある場合には、ブリッジ回路の４つの接続端子のうちの所定の２つの接続端子に交流出力供給源からの交流出力を入力させ、所定の２つの接続端子と異なる他の２つの接続端子から出力されるＰＷＭ信号により制御された電力を電圧調整用トランスに作用させ、入力電圧が所定の範囲にない場合には、直流電力供給源からの直流出力を所定の２つの接続端子と異なる他の２つの接続端子に入力させ、所定の２つの接続端子から出力されるＰＷＭ信号により制御された電力を交流出力側に作用させることで、電圧調整機能と無停電電力供給機能とを兼ね備えるものである。また、ＡＶＲモードおよびＩＮＶモードの両者において、ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路に備えられた第１、第２のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子を共用動作させるようにしているので、回路規模や部品点数の増加を抑制するものである。さらに、ＣＰＵ等を用いない構成とすることで、シンプルな回路構成とするものである。さらには、バッテリ等を使用しなくても瞬断補償を行うことができる構成とするものである。

すなわち、本発明の請求項１に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置は、交流出力供給源からの交流出力の自身への入力電圧を監視する入力電圧監視部と、前記入力電圧監視部が検出した検出信号に基づいて所定のＰＷＭ制御を行う制御部と、前記所定のＰＷＭ制御によって制御される複数の交流スイッチ回路と、前記負荷に供給する供給電圧を調整するための調整電圧を発生して前記交流出力供給源と負荷との接続部に供給する電圧調整用トランスと、直流出力供給源とを備え、前記複数の交流スイッチ回路は、該複数の交流スイッチ回路の各端子がそれぞれ異なる他の交流スイッチ回路の端子とそれぞれ接続されたブリッジ回路を構成し、前記入力電圧が所定の範囲にある場合には、前記ブリッジ回路の４つの接続端子のうちの所定の２つの接続端子に前記交流出力供給源からの交流出力を入力させ、該所定の２つの接続端子と異なる他の２つの接続端子から出力されるＰＷＭ信号により制御された電力を前記電圧調整用トランスに作用させることで、該負荷に電力を供給するＡＶＲ装置として機能させ、該入力電圧が所定の範囲を超える場合には、前記直流出力供給源からの直流出力を前記所定の２つの接続端子と異なる他の２つの接続端子に入力させ、該所定の２つの接続端子から出力されるＰＷＭ信号により制御された電力を交流出力側に作用させることで、該負荷に電力を供給するＩＮＶ装置として機能させることを特徴とする無停電電力供給機能を付加したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置は、前記ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路は、第１、第２のスイッチング素子と第１、第２の整流素子とをそれぞれ備え、該第１、第２のスイッチング素子のそれぞれが直列に逆極性となるように接続されるとともに、該第１、第２のスイッチング素子のそれぞれに、該第１、第２の整流素子がそれぞれ並列に接続された該スイッチング素子と該整流素子とによる並直列逆接続回路に構成されたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置は、前記ＡＶＲ装置として機能させる場合および前記ＩＮＶ装置として機能させる場合に、前記ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路に備えられた第１、第２のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子を共用動作させることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置は、前記第１、第２のスイッチング素子のそれぞれが絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であり、前記第１、第２の整流素子のそれぞれがダイオードであることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置は、前記ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路は、第１、第２の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）をそれぞれ備え、該第１、第２のＦＥＴのそれぞれが直列に逆極性となるように接続された該ＦＥＴによる直列逆接続回路を構成することを特徴とする。

また、本発明の請求項６に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置は、前記ＡＶＲ装置として機能させる場合および前記ＩＮＶ装置として機能させる場合に、前記ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路に備えられた第１、第２のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子を共用動作させることを特徴とする。

また、本発明の請求項７に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置は、前記直流出力供給源は、コンデンサまたは二次電池を含む構成であることを特徴とする。

この発明によれば、交流出力供給源から出力された交流出力の自身への入力電圧が所定の範囲にある場合には、複数の交流スイッチ回路の各端子がそれぞれ異なる他の交流スイッチ回路の端子とそれぞれ接続されたブリッジ回路の４つの接続端子のうちの所定の２つの接続端子に交流出力供給源からの交流出力を入力させ、所定の２つの接続端子と異なる他の２つの接続端子から出力されるＰＷＭ信号により制御された電力を前記電圧調整用トランスに作用させることで、負荷に電力を供給するＡＶＲ装置として機能させ、入力電圧が所定の範囲を超える場合には、コンデンサからの直流出力を所定の２つの接続端子と異なる他の２つの接続端子に入力させ、所定の２つの接続端子から出力されるＰＷＭ信号により制御された電力を交流出力側に作用させることで、負荷に電力を供給するＩＮＶ装置として機能させるようにしているので、運転効率を損なうことなく、回路規模や部品点数の増加を抑制することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して、この発明にかかる無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置（以下「ＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置」という。）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。

図１は、この発明にかかるＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置の具体的な構成例を示す回路図である。同図に示すＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置は、商用交流などの電力供給源に接続される入力端子Ｒ−Ｓと負荷に交流出力を供給するための出力端子Ｕ−Ｖとをそれぞれ有し、以下に示す各回路および各構成部、すなわち、第１の交流スイッチ回路１１、電圧調整回路１２、第１のフィルタ回路１３、第２の交流スイッチ回路１４、第３〜第６の交流スイッチ回路１５ａ〜１５ｄ、第２のフィルタ回路１６、直流スイッチ回路１７および直流出力回路１８ならびに入力電圧監視部２０、出力電圧監視部２１および制御部２２を備えている。また、上述の各回路は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ダイオード、抵抗、コンデンサ、トランス、チョークコイルなどの素子の複数の組み合わせで構成されている。

つぎに、図１に示すＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置の接続構成について説明する。図１において、入力端子Ｒおよび出力端子Ｕとの間の交流ライン間（入力端子Ｒおよび出力端子Ｕとの接続部）には、第１の交流スイッチ回路１１と電圧調整回路１２とが直列に挿入されている。電圧調整回路１２には、第１のフィルタ回路１３を介して第２の交流スイッチ回路１４が接続されている。第３〜第６の交流スイッチ回路１５ａ〜１５ｄは、それぞれの交流スイッチ回路の各端子がそれぞれ異なる他の交流スイッチ回路の端子とそれぞれ接続されてブリッジ回路を構成している。これらの交流スイッチ回路において、第１のフィルタ回路１３が接続されていない側の第２の交流スイッチ回路１４の一端は、第３の交流スイッチ回路１５ａの一端と第４の交流スイッチ回路１５ｂの一端とが接続されている接続点側（Ｊ１）に接続され、第１のフィルタ回路１３が接続されていない側の第２の交流スイッチ回路１４の他端は、第５の交流スイッチ回路１５ｃの一端と第６の交流スイッチ回路１５ｄの一端とが接続されている接続点側（Ｊ２）に接続されている。また、出力端子Ｕ−Ｖ間に並列に接続された直流出力回路１８も、直流スイッチ回路１７を介して上記第１、第２のブリッジ接続点（Ｊ１，Ｊ２）に接続されるように構成されている。一方、第３の交流スイッチ回路１５ａの他端と第５の交流スイッチ回路１５ｃの他端とが接続されている接続点（Ｊ３）は、第２のフィルタ回路１６を介して出力端子Ｕに接続されている。他方、第４の交流スイッチ回路１５ｂの他端および第６の交流スイッチ回路１５ｄの他端とが接続されている接続点（Ｊ４）は、出力端子Ｖ（あるいは入力端子Ｓ）にそれぞれ接続されている。

また、図１に示す入力電圧監視部２０、出力電圧監視部２１および制御部２２は、上記の各回路を制御するための構成部である。入力電圧監視部２０は、入力端子Ｒ−Ｓ間に接続され、交流入力の電圧変動を検出する。一方、出力電圧監視部２１は、出力端子Ｕ−Ｖ間に接続され、交流出力の電圧変動を検出する。制御部２２は、ＡＶＲ制御部２２ａとＩＮＶ制御部２２ｂとを備え、入力電圧監視部２０および出力電圧監視部２１のそれぞれに接続されている。なお、この制御部２２は、入力電圧監視部２０および出力電圧監視部２１が検出したモニタ信号に基づいて、第１の交流スイッチ回路１１、第２の交流スイッチ回路１４、第３〜第６の交流スイッチ回路１５ａ〜１５ｄおよび直流スイッチ回路１７をそれぞれ制御する。

つぎに、上述した各回路の内部構成および、その機能について説明する。第１の交流スイッチ回路１１は、ＩＧＢＴ（Ｑ１，Ｑ２）とダイオードＤ１，Ｄ２を備えており、ＩＧＢＴ（Ｑ１，Ｑ２）のそれぞれが直列に逆極性となるように接続され、また、これらのＩＧＢＴ（Ｑ１，Ｑ２）のそれぞれに、ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ並列に接続されている。なお、これらのダイオードＤ１，Ｄ２は「スナバ（ｓｎｕｂｂｅｒ）」と呼ばれるものであり、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子において、オン・オフの切り替わりの過渡状態で発生する高いスパイク電圧を防止する目的で挿入されている。また、この接続構成は、交流出力の正負の両サイクルに対応させるために採られている。すなわち、交流出力の正の半サイクルにおいては、ＩＧＢＴ（Ｑ１）−ダイオードＤ２のルートで電流が流れ、交流出力の負の半サイクルにおいては、ＩＧＢＴ（Ｑ２）−ダイオードＤ１のルートで電流が流れるようになっている。なお、以下に説明する他の回路の構成においても、この接続構成が頻繁に現れるので、例えば、第１の交流スイッチ回路１１の接続構成であれば、「ＩＧＢＴ（Ｑ１，Ｑ２）とダイオードＤ１，Ｄ２とによる並直列逆接続回路」と呼称し、他のスイッチ回路においても同様な呼称を適宜用いる。

電圧調整回路１２は、一次巻線と、この一次巻線に誘導結合された二次巻線とを有するトランスＴ１を備えている。トランスＴ１の一次巻線の両端は第１のフィルタ回路１３に接続され、トランスＴ１の二次巻線の一端は第１の交流スイッチ回路１１に接続され、他端は出力端子Ｕに接続されている。なお、この電圧調整回路１２は、交流出力電圧の大小に基づいて電圧を調整する機能を有している。すなわち、電圧調整回路１２では、第１のフィルタ回路１３から出力される交流信号（交流出力にほぼ相似の正弦波）が一次巻線に入力され、所定の電圧に設定された二次巻線からの出力が交流出力ラインに正極性、あるいは逆極性として印加されることにより、交流出力が所定の電圧に設定される。

第１のフィルタ回路１３は、コイルＬ１およびコンデンサＣ１を備えたフィルタ（ローパス・フィルタ）回路として構成され、電圧調整回路１２に上述の交流信号（交流出力にほぼ相似の正弦波）を出力する。

第２の交流スイッチ回路１４は、ＩＧＢＴ（Ｑ３，Ｑ４）とダイオードＤ３，Ｄ４とによる並直列逆接続回路として構成され、後述する制御部２２の制御に基づいて第１のフィルタ回路１３に出力する出力信号を供給あるいは遮断する。

第３の交流スイッチ回路１５ａは、ＩＧＢＴ（Ｑ５，Ｑ６）とダイオードＤ５，Ｄ６とによる並直列逆接続回路として構成される。同様に、第４の交流スイッチ回路１５ｂは、ＩＧＢＴ（Ｑ７，Ｑ８）とダイオードＤ７，Ｄ８とによる並直列逆接続回路として構成され、第５の交流スイッチ回路１５ｃは、ＩＧＢＴ（Ｑ９，Ｑ１０）とダイオードＤ９，Ｄ１０とによる並直列逆接続回路として構成され、第６の交流スイッチ回路１５ｄは、ＩＧＢＴ（Ｑ１１，Ｑ１２）とダイオードＤ１１，Ｄ１２とによる並直列逆接続回路として構成される。これらの４つの並直列逆接続回路の各端子がブリッジ接続され、後述する制御部２２（ＡＶＲ制御部２２ａまたはＩＮＶ制御部２２ｂ）の制御に基づいたＰＷＭ制御によって、所定のＡＶＲ装置、あるいはＩＮＶ装置として機能させることができる。すなわち、ＡＶＲ装置として機能させる場合（ＡＶＲモード時）には、ＡＶＲ制御部２２ａの制御に基づいて接続点Ｊ３，Ｊ４に印加された交流出力からＰＷＭ信号が生成され、このＰＷＭ信号が接続点Ｊ１，Ｊ２から出力され、一方、ＩＮＶ装置として機能させる場合（ＩＮＶモード時）には、ＩＮＶ制御部２２ｂの制御に基づいて接続点Ｊ１，Ｊ２に印加された直流出力から生成されるＰＷＭ信号が接続点Ｊ３，Ｊ４から出力されることで、上記所望の機能が実行される。

第２のフィルタ回路１６は、コイルＬ２およびコンデンサＣ２を備えたフィルタ（ローパス・フィルタ）回路として構成され、ＩＮＶモード時における交流出力（正弦波出力）を出力端子Ｕ−Ｖ間に出力する。

直流スイッチ回路１７は、単一のＩＧＢＴ（Ｑ１３）と単一のダイオードＤ１３とによる並列接続回路として構成される。直流スイッチ回路１７は、接続点Ｊ１，Ｊ２に供給する直流出力回路１８の出力を供給あるいは遮断する機能を果たすものであるが、直流出力回路１８の出力は直流出力であるため、第１の交流スイッチ回路１１などのような並直列逆接続回路の構成にする必要がない。

直流出力回路１８は、出力端子Ｕ−Ｖに接続される一次巻線と、この一次巻線に誘導結合された二次巻線とを有するトランスＴ２と、この二次巻線に接続される整流ブリッジ回路ＲＥ１と、抵抗Ｒ１と、この抵抗Ｒ１を介して整流ブリッジ回路ＲＥ１の出力を保持するコンデンサＣ３とを備えており、非停電時やＡＶＲモード時には交流出力の一部をコンデンサＣ３に蓄積し、停電時やＩＮＶモード時には、コンデンサＣ３に蓄積された直流エネルギーを接続点Ｊ１，Ｊ２に出力する。

なお、図１に示す回路構成は、ごく一例を示したものであり、これらの構成に限定されるものではない。例えば、上記のＩＧＢＴは、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、バイポーラトランジスタなどに置き換えることも可能である。なお、ＦＥＴなどの寄生ダイオードを有する双方向性素子を用いる場合には、スナバ用のダイオードを挿入する必要はない。また、第１のトランスＴ１の回路位置は、第２のトランスＴ２の接続点よりも出力側に配置しても構わない。さらに、第２の交流スイッチ回路１４の並直列逆接続回路を接続点Ｊ１側に接続しているが、接続点Ｊ２側に接続しても構わない。同様に、直流スイッチ回路１７の並列接続回路をＪ２側に接続しているが、接続点Ｊ１側に接続しても構わない。

図２は、ＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置の各モード時におけるＩＧＢＴ素子の動作状態を示す図表である。同図に示すように、ＡＶＲモード時では、ＩＧＢＴ（Ｑ１〜Ｑ４）のそれぞれは、制御部２２の制御によって常時オンの状態に制御され、ＩＧＢＴ（Ｑ１３）は、常時オフの状態に制御される。また、他のＩＧＢＴ（Ｑ５〜Ｑ１２）のそれぞれは、制御部２２のＡＶＲ制御部２２ａの制御によって所定のスイッチング（ＳＷ）動作を行う。一方、ＩＮＶモード時では、ＩＧＢＴ（Ｑ１〜Ｑ４）のそれぞれは、制御部２２の制御によって常時オフの状態に制御され、ＩＧＢＴ（Ｑ５，Ｑ８，Ｑ１０，Ｑ１１およびＱ１３）は、常時オンの状態に制御される。また、他のＩＧＢＴ（Ｑ６，Ｑ７，Ｑ９およびＱ１２）のそれぞれは、制御部２２のＩＮＶ制御部２２ｂの制御によって所定のスイッチング（ＳＷ）動作を行う。

図３は、ＡＶＲモード時の動作説明に必要な回路部分のみを示した回路図である。ＡＶＲモード時には、図１に示すＩＧＢＴ（Ｑ１〜Ｑ１３）の各素子に対して図２に示すような制御が行われるので、ＡＶＲモード時の動作を支配する回路構成は、図３に示すように簡略化することができる。

これに対して、図４は、ＩＮＶモード時の動作説明に必要な回路部分のみを示した回路図である。ＡＶＲモード時と同様に、ＩＮＶモード時には、図１に示すＩＧＢＴ（Ｑ１〜Ｑ１３）の各素子に対して図２に示すような制御が行われるので、ＩＮＶモード時の動作を支配する回路構成は、図４に示すように簡略化することができる。

図５−１、図５−２、図６−１および図６−２は、ＡＶＲモード時の動作を説明するための説明図であり、より詳細には、図５−１は、交流入力の正の半サイクルにおいて出力電圧を昇圧させる場合の電流の流れを図３に示す回路上に示した図であり、図５−２は、交流入力の負の半サイクルにおいて出力電圧を昇圧させる場合の電流の流れを図３に示す回路上に示した図である。一方、図６−１は、交流入力の正の半サイクルにおいて出力電圧を降圧させる場合の電流の流れを図３に示す回路上に示した図であり、図６−２は、交流入力の負の半サイクルにおいて出力電圧を降圧させる場合の電流の流れを図３に示す回路上に示した図である。

つぎに、図５−１および図５−２を用いて、ＡＶＲモード時における出力電圧を昇圧させる場合の動作について説明する。

図５−１において、交流入力の正の半サイクルでは、入力端子Ｒ側が入力端子Ｓ側よりも電位が高く、図１に示す入力電圧監視部２０は、この電位差に基づく検出信号を制御部２２に伝達する。制御部２２のＡＶＲ制御部２２ａは、この検出信号に基づいて図５−１に示すようにＩＧＢＴ（Ｑ７）およびＩＧＢＴ（Ｑ９）をＰＷＭ制御する。なお、ＰＷＭ制御は、一般的によく知られている制御であり、ここでの詳細な説明は省略する。

さて、上記のＰＷＭ制御にて、図５−１の太線で示すように、入力端子Ｒから、トランスＴ１の二次巻線、コイルＬ２、ＩＧＢＴ（Ｑ９）、ダイオードＤ１０、トランスＴ１の一次巻線、コイルＬ１、ＩＧＢＴ（Ｑ７）、ダイオードＤ８を経て入力端子Ｓに戻る電流ループが形成される。この電流ループにより、トランスＴ１の一次巻線には同図に示す向きの電圧（紙面右側が“プラス”、紙面左側が“マイナス”）が発生し、巻始め位置（同図黒丸印）を同じくする二次巻線にも同じ向きの電圧が発生する。この場合、この二次巻線での発生電圧は、交流出力を増加させる向きの電圧（昇圧）となるので、交流出力は昇圧される。なお、昇圧される交流出力の大小は、ＩＧＢＴ（Ｑ９）およびＩＧＢＴ（Ｑ７）の導通時間によって制御することができる。例えば、ＩＧＢＴ（Ｑ９）およびＩＧＢＴ（Ｑ７）の導通時間（スイッチング動作させる制御パルス幅）を長くすれば、昇圧分の出力を増加させることができ、逆に、ＩＧＢＴ（Ｑ９）およびＩＧＢＴ（Ｑ７）の導通時間を短くすれば、昇圧分の出力を減少させることができる。

一方、図５−２において、交流入力の負の半サイクルでは、入力端子Ｒ側が入力端子Ｓ側よりも電位が低く、入力電圧監視部２０は、この電位差に基づく検出信号を制御部２２に伝達する。制御部２２のＡＶＲ制御部２２ａは、この検出信号に基づいて同図に示すようにＩＧＢＴ（Ｑ８）およびＩＧＢＴ（Ｑ１０）をＰＷＭ制御する。このとき、ＰＷＭ制御にて、同図の太線で示すように、入力端子Ｓから、ＩＧＢＴ（Ｑ８）、ダイオードＤ７、コイルＬ１、トランスＴ１の一次巻線、ＩＧＢＴ（Ｑ１０）、ダイオードＤ９、コイルＬ２、トランスＴ１の二次巻線、を経て入力端子Ｒに戻る電流ループが形成される。この電流ループにより、トランスＴ１の一次巻線には同図に示す向きの電圧（紙面右側が“プラス”、紙面左側が“マイナス”）が発生し、巻始め位置（同図黒丸印）を同じくする二次巻線にも同じ向きの電圧が発生する。この二次巻線での発生電圧は、上記で説明した交流入力の正の半サイクルの場合と同様に交流出力を増加させる向きの電圧（昇圧）となるので、交流出力は昇圧される。

同様に、図６−１および図６−２を用いて、ＡＶＲモード時における出力電圧を降圧させる場合の動作について説明する。

図６−１において、入力端子Ｒ側が入力端子Ｓ側よりも電位が高く、入力電圧監視部２０は、この電位差に基づく検出信号を制御部２２に伝達する。制御部２２のＡＶＲ制御部２２ａは、この検出信号に基づいて同図に示すようにＩＧＢＴ（Ｑ５）およびＩＧＢＴ（Ｑ１１）をＰＷＭ制御する。このとき、ＰＷＭ制御にて、同図の太線で示すように、入力端子Ｒから、トランスＴ１の二次巻線、コイルＬ２、ＩＧＢＴ（Ｑ５）、ダイオードＤ６、コイルＬ１、トランスＴ１の一次巻線、ＩＧＢＴ（Ｑ１１）、ダイオードＤ１２を経て入力端子Ｓに戻る電流ループが形成される。この電流ループにより、トランスＴ１の一次巻線には同図に示す向きの電圧（紙面右側が“マイナス”、紙面左側が“プラス”）が発生し、巻始め位置（同図黒丸印）を同じくする二次巻線にも同じ向きの電圧が発生する。この場合、この二次巻線での発生電圧は、交流出力を減少させる向きの電圧（降圧）となるので、交流出力は降圧される。

一方、図６−２において、交流入力の負の半サイクルでは、入力端子Ｒ側が入力端子Ｓ側よりも電位が低く、入力電圧監視部２０は、この電位差に基づく検出信号を制御部２２に伝達する。制御部２２のＡＶＲ制御部２２ａは、この検出信号に基づいて同図に示すようにＩＧＢＴ（Ｑ６）およびＩＧＢＴ（Ｑ１２）をＰＷＭ制御する。このとき、ＰＷＭ制御にて、同図の太線で示すように、入力端子Ｓから、ＩＧＢＴ（Ｑ１２）、ダイオードＤ１１、トランスＴ１の一次巻線、コイルＬ１、ＩＧＢＴ（Ｑ６）、ダイオードＤ５、コイルＬ２、トランスＴ１の二次巻線、を経て入力端子Ｒに戻る電流ループが形成される。この電流ループにより、トランスＴ１の一次巻線には同図に示す向きの電圧（紙面右側が“プラス”、紙面左側が“マイナス”）が発生し、巻始め位置（同図黒丸印）を同じくする二次巻線にも同じ向きの電圧が発生する。この二次巻線での発生電圧は、上記で説明した交流入力の正の半サイクルの場合と同様に交流出力を減少させる向きの電圧（降圧）となるので、交流出力は降圧される。

また、図７−１および図７−２は、ＩＮＶモード時の動作を説明するための説明図であり、より詳細には、図７−１は、正の半サイクルの交流出力を出力させる場合の電流の流れを図４に示す回路上に示した図であり、図７−２は、負の半サイクルの交流出力を出力させる場合の電流の流れを図４に示す回路上に示した図である。以下、ＡＶＲモード時のときと同様に、図７−１および図７−２を用いて、ＩＮＶモード時での回路動作について説明する。

図１に示す入力電圧監視部２０は、停電状態や交流入力の入力電圧異常などを検出し、この検出信号を制御部２２に伝達する。このとき、制御部２２のＩＮＶ制御部２２ｂは、交流入力を遮断し、図７−１および図７−２に示すように、ＩＧＢＴ（Ｑ６）、ＩＧＢＴ（Ｑ７）、ＩＧＢＴ（Ｑ９）およびＩＧＢＴ（Ｑ１２）をＰＷＭ制御する。

正の半サイクルでは、図７−１に示すように、ＩＧＢＴ（Ｑ６）およびＩＧＢＴ（Ｑ１２）がＰＷＭ制御され、同図の太線で示すように、コンデンサＣ３のプラス側端子から、ＩＧＢＴ（Ｑ６）、コイルＬ２、端子Ｕ、負荷、端子Ｖ、ＩＧＢＴ（Ｑ１２）を経てコンデンサＣ３のマイナス側端子に戻る電流ループが形成される。この電流の向きは、コンデンサＣ２の上側から下側に向かう電流であり、接続点Ｊ３，Ｊ４間に接続点Ｊ３側の電位が接続点Ｊ４側の電位よりも高いＰＷＭ信号が生成される。

一方、負の半サイクルでは、図７−２に示すように、ＩＧＢＴ（Ｑ７）およびＩＧＢＴ（Ｑ９）がＰＷＭ制御され、同図の太線で示すように、コンデンサＣ３のプラス側端子から、ＩＧＢＴ（Ｑ７）、端子Ｖ、負荷、端子Ｕ、コイルＬ２、ＩＧＢＴ（Ｑ９）を経てコンデンサＣ３のマイナス側端子に戻る電流ループが形成される。この電流の向きは、コンデンサＣ２の下側から上側に向かう電流であり、接続点Ｊ３，Ｊ４間に接続点Ｊ４側の電位が接続点Ｊ３側の電位よりも高いＰＷＭ信号が生成される。

これらの接続点Ｊ３，Ｊ４間に生成されたＰＷＭ信号が、コイルＬ２およびコンデンサＣ２による第２のフィルタ回路１６を通過することで、波形のきれいな正弦波出力が得られる。

図８は、ＡＶＲモードおよびＩＮＶモード時の入力電圧の変動に対する切換動作の一例を示すタイムチャ−トである。同図において、入力電圧が変動許容範囲内であれば、ＡＶＲモードでの運転が行われ、安定した出力電圧が得られる。

入力電圧が変動許容範囲を超えた場合には、図１に示す入力電圧監視部２０にて検出された検出信号に基づいて、動作モードがＡＶＲモードからＩＮＶモードに瞬時に切り替わる。

入力電圧が定格レベル以内のレベルに回復すると、入力電圧監視部２０にて検出された検出信号に基づいて、制御部２２からＡＶＲモードへの回復信号が出力される。このとき、入力電圧位相の同期をとるための確認時限の経過後、動作モードがＩＮＶモードからＡＶＲモードに切り替わる。

停電などの瞬停時では、動作モードがＡＶＲモードからＩＮＶモードに瞬時に切り替わり、出力給電が継続される。また、入力電圧が長時間に亘って停電する場合には、ＩＮＶモードにてバックアップ時間だけの出力給電が行われ、装置は停止する。以後、入力電圧が回復すればＡＶＲモードでの出力給電が再開される。なお、図１に示すコンデンサＣ３を蓄電池にし、整流ブリッジ回路ＲＥ１を充電器にすれば、長時間停電に対処できるＡＶＲ装置として機能させることができる。

なお、上述の説明では、出力電圧監視部２１の細部機能にかかる説明を省略したが、出力電圧監視部２１が検出する出力電圧を基準とした交流出力制御を行うこともできる。例えば、出力電圧監視部２１の検出電圧に基づく制御部２２の制御に基づいて交流出力電圧を低めに設定すれば、負荷側の省電力が実現でき、電気料金を節減することができる。

以上説明したように、この実施の形態のＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置は、ＡＶＲモード時には、入力電圧監視部２０が検出した検出信号を制御部２２に伝達し、制御部２２のＡＶＲ制御部２２ａは、この検出信号に基づいて所定のスイッチ回路を効率的に制御するとともに、ＩＮＶモード時には、入力電圧監視部２０が検出した検出信号を制御部２２に伝達し、制御部２２のＩＮＶ制御部２２ｂは、この検出信号に基づいて停電時あるいは入力電圧異常時に所定のスイッチ回路を効率的に制御するので、電圧調整された連続的な交流出力を得ることができるとともに、広範囲な安定電源を構成することができる。

また、この実施の形態のＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置は、トランスＴ１の一次巻線に印加される電圧が、交流入力から入力された交流電圧をサンプリングしたものであり、交流入力の波形とほぼ同位相で推移するため、ＡＶＲ制御部２２ａから出力される制御（スイッチング）信号のパルス幅やパルス周波数を局所的に大きく変化させることなく交流出力の昇圧や降圧を行うことができ、直流電源から交流電圧を生成するインバータに比べて動作効率を大幅に向上させることができる。

また、この実施の形態のＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置は、トランスＴ２の二次巻線は、一つの巻線で、昇圧、降圧、およびスルー状態を実現できるので、オートトランス方式のトランスに比べて約半分の重量と容積でよく、装置の小型化、軽量化、およびコスト低減を実現することができる。

また、この実施の形態のＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置は、ＣＰＵ等を用いることなく、回路構成もシンプルに構成できる一方で、バッテリ等を使用しない場合でも瞬断補償を行うことがでるので、高機能かつ高信頼性のＡＶＲ装置を安価に構成できる。

以上のように、この発明にかかるＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置は、出力電圧を詳細に調整でき、かつ、無停電電源供給機能を有する交流電圧制御装置として有用である。

この発明にかかるＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置の具体的な構成例を示す回路図である。 ＵＰＳ機能付ＡＶＲ装置の各モード時におけるＩＧＢＴ素子の動作状態を示す図表である。 ＡＶＲモード時の動作説明に必要な回路部分のみを示した回路図である。 ＩＮＶモード時の動作説明に必要な回路部分のみを示した回路図である。 交流入力の正の半サイクルにおいて出力電圧を昇圧させる場合の電流の流れを図３に示す回路上に示した図である。 交流入力の負の半サイクルにおいて出力電圧を昇圧させる場合の電流の流れを図３に示す回路上に示した図である。 交流入力の正の半サイクルにおいて出力電圧を降圧させる場合の電流の流れを図３に示す回路上に示した図である。 交流入力の負の半サイクルにおいて出力電圧を降圧させる場合の電流の流れを図３に示す回路上に示した図である。 正の半サイクルの交流出力を出力させる場合の電流の流れを図４に示す回路上に示した図である。 負の半サイクルの交流出力を出力させる場合の電流の流れを図４に示す回路上に示した図である。 ＡＶＲモードおよびＩＮＶモード時の入力電圧の変動に対する切換動作の一例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１１ 第１の交流スイッチ回路
１２ 電圧調整回路
１３ 第１のフィルタ回路
１４ 第２の交流スイッチ回路
１５ａ 第３の交流スイッチ回路
１５ｃ 第４の交流スイッチ回路
１５ｂ 第５の交流スイッチ回路
１５ｄ 第６の交流スイッチ回路
１６ 第２のフィルタ回路
１７ 直流スイッチ回路
１８ 直流出力回路
２０ 入力電圧監視部
２１ 出力電圧監視部
２２ 制御部
２２ａ ＡＶＲ制御部
２２ｂ ＩＮＶ制御部

Claims (7)

1. 交流出力供給源からの交流出力の自身への入力電圧を監視する入力電圧監視部と、
   前記入力電圧監視部が検出した検出信号に基づいて所定のＰＷＭ制御を行う制御部と、
   前記所定のＰＷＭ制御によって制御される複数の交流スイッチ回路と、
   前記負荷に供給する供給電圧を調整するための調整電圧を発生して前記交流出力供給源と負荷との接続部に供給する電圧調整用トランスと、
   直流出力供給源と、
   を備え、
   前記複数の交流スイッチ回路は、該複数の交流スイッチ回路の各端子がそれぞれ異なる他の交流スイッチ回路の端子とそれぞれ接続されたブリッジ回路を構成し、
   前記入力電圧が所定の範囲にある場合には、前記ブリッジ回路の４つの接続端子のうちの所定の２つの接続端子に前記交流出力供給源からの交流出力を入力させ、該所定の２つの接続端子と異なる他の２つの接続端子から出力されるＰＷＭ信号により制御された電力を前記電圧調整用トランスに作用させることで、該負荷に電力を供給するＡＶＲ装置として機能させ、
   該入力電圧が所定の範囲を超える場合には、前記直流出力供給源からの直流出力を前記所定の２つの接続端子と異なる他の２つの接続端子に入力させ、該所定の２つの接続端子から出力されるＰＷＭ信号により制御された電力を交流出力側に作用させることで、該負荷に電力を供給するＩＮＶ装置として機能させることを特徴とする無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置。
2. 前記ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路は、第１、第２のスイッチング素子と第１、第２の整流素子とをそれぞれ備え、
   該第１、第２のスイッチング素子のそれぞれが直列に逆極性となるように接続されるとともに、該第１、第２のスイッチング素子のそれぞれに、該第１、第２の整流素子がそれぞれ並列に接続された該スイッチング素子と該整流素子とによる並直列逆接続回路に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置。
3. 前記ＡＶＲ装置として機能させる場合および前記ＩＮＶ装置として機能させる場合に、前記ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路に備えられた第１、第２のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子を共用動作させることを特徴とする請求項２に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置。
4. 前記第１、第２のスイッチング素子のそれぞれが絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であり、
   前記第１、第２の整流素子のそれぞれがダイオードであることを特徴とする請求項３に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置。
5. 前記ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路は、第１、第２の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）をそれぞれ備え、
   該第１、第２のＦＥＴのそれぞれが直列に逆極性となるように接続された該ＦＥＴによる直列逆接続回路を構成することを特徴とする請求項１に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置。
6. 前記ＡＶＲ装置として機能させる場合および前記ＩＮＶ装置として機能させる場合に、前記ブリッジ回路を構成する複数の交流スイッチ回路に備えられた第１、第２のスイッチング素子のうちの所定のスイッチング素子を共用動作させることを特徴とする請求項５に記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置。
7. 前記直流出力供給源は、コンデンサまたは二次電池を含む構成であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の無停電電力供給機能を付加した交流電圧制御装置。

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