JP3852450B2 - 診断機能付き無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は診断機能付き無停電電源装置に関し、特に、部品の個別故障や実装不良などを自己診断することにより信頼性を向上させた無停電電源装置に関する。

一般に、停電時に商用電力から蓄電池電力へ切り替える無停電電源装置では、商用電源からの電圧と蓄電池電源からの電圧に電圧差を持たせ、ダイオードによるＯＲ回路でこれらを切り替えるよう構成されている。このような回路構成において、蓄電池電力からの電力供給用のダイオードで開放故障が発生した場合、商用電力による動作を継続している間はこの故障が顕在化しないため、停電などにより商用電源から蓄電池電源に切り替えたときに電力が供給されず、初めて故障が発覚して対応が遅れるという問題があった。これに対し定期的な点検で擬似的に停電状態を発生させて回路診断を行うことが考えられるが、これには主電源を遮断する必要がありリスクも伴うことから頻繁に行うのは現実的でない。また、蓄電池電力からの供給用ダイオードで短絡故障が発生した場合、蓄電池に意図しない逆電流が供給されることがあり、蓄電池の寿命短縮や破裂などの原因となる問題があった。

本願発明に関連すると思われる従来技術として、無停電電源装置においてインバータ回路の出力をチェックすることによりインバータ回路の故障を検知できるようにしたものがある（例えば、特許文献１）。また、スイッチにより主回路を切り離した状態でバックアップ電源の診断を行うようにしたものがある（例えば、特許文献２）。また、二重化電源のダイオードの両端の電位差をチェックしてダイオードの故障を検出する方式がある（例えば、特許文献３）。この文献３では、２つの電源装置の経路に設けたダイオードの両端で電位差が検出されるか、各電源装置の出力電圧を上下変動させこれに応じてダイオードの両端で検出される電圧が変動するか否か、に応じて各ダイオードの短絡あるいは開放故障を判別するようにしている。
特開平８−１８２３３７号公報 特開２００３−３０９９３４号公報 特開平３−１０３０４４号公報

本願発明が解決しようとする課題は、停電時に商用電力から蓄電池電力へ切り替える無停電電源装置において、スイッチ部品の個別故障や実装不良などにより停電時に蓄電池から十分な電力を得られなくなるという問題である。本発明は、個別部品の故障や実装不良などによる停電時の動作不良を未然に防止するとともに、蓄電池の充電量監視や逆電流防止なども行って信頼性の高い無停電電源装置を提供することを目的とする。

本発明は、通常時は商用電源からの電力を出力し、商用電源の停電時に蓄電池からの電力を出力する無停電電源装置において、前記商用電源からの経路と蓄電池からの経路とが装置の出力端側で合流しており、前記商用電源からの経路に接続された第１の電圧検出手段（４０）と、前記蓄電池からの経路に接続された第２の電圧検出手段（５０）と、前記蓄電池からの経路において前記第２の電圧検出手段を挟んで設けられた２つのスイッチング手段（１０２，１０３）と、これらのスイッチング手段を制御して前記第１および第２の電圧検出回路の検出電圧により装置の診断を行う制御手段（７０）とを備えることを最も主要な特徴とする。

好適な実施例において、前記制御手段は、前記２つのスイッチング手段のうち上流側のスイッチング手段（１０２）がオン（導通）の状態で前記第２の電圧検出手段（５０）にて電圧が検出されない場合に前記上流側のスイッチング手段（１０２）が開放故障であると判断する。

また、前記制御手段は、前記２つのスイッチング手段のうち下流側のスイッチング手段（１０３）がオンの状態で前記第２の電圧検出手段（５０）にて電圧が検出されない場合に前記下流側のスイッチング手段（１０３）が開放故障であると判断する。

また、前記制御手段は、前記２つのスイッチング手段がともにオフの状態で前記第２の電圧検出手段（５０）にて電圧が検出される場合に前記スイッチング手段の一方あるいは双方が短絡故障であると判断する。

また、無停電電源装置は前記商用電源の電圧と蓄電池電源の電圧に電圧差があり前記商用電源からの経路に設けられたダイオード（１０１）により電源の切替を行う構成であるとともに、前記制御手段は、前記下流側のスイッチング手段（１０３）がオンの状態で前記第２の電圧検出手段（５０）が電圧を検出しない場合に前記ダイオードが開放故障であると診断することが有効である。

あるいは、無停電電源装置は前記商用電源の電圧と蓄電池電源の電圧に電圧差があり前記商用電源からの経路に設けられたダイオード（１０１）により電源の切替を行う構成であるとともに、前記制御手段は、前記下流側のスイッチング手段（１０３）がオンの状態で前記第１の電圧検出手段と第２の電圧検出手段の検出電圧の差が前記ダイオードの順方向電圧降下値より小さい場合に前記ダイオード（１０１）が短絡故障であると判断することが有効である。

また、上記ダイオードの代わりに、前記商用電源からの経路に前記制御手段により制御される第３のスイッチング手段（１０４）を設けると、商用電源からの電力損失を減少させることができる。

また、前記制御手段は、前記上流側のスイッチング手段（１０２）がオンの状態における前記第２の電圧検出手段（５０）の出力値によって前記蓄電池の充・放電量を判断することが有効である。

また、前記上流側のスイッチング手段と蓄電池との間に逆電流検出手段（８０）が設けられており、当該逆電流検出手段にて所定値以上の逆方向電流が検出された場合に前記上流側のスイッチング手段がオフ制御されることが有効である。

さらに本発明は、上記のいずれかに記載の無停電電源装置を内蔵することを特徴とする電気機械器具に関する。

以上のような構成により、供給電圧を切り替えるスイッチング手段を個別に診断することができ、個別部品の故障や実装不良などによる動作不良を未然に防止することが可能となる。

また、蓄電池への逆電流検出手段を設けて逆電流を防止することにより、さらに信頼性を高めた無停電電源装置を提供することができる。また、従来ダイオードで構成されていたＯＲ回路をＦＥＴのスイッチング動作で置換することにより、無停電電源装置による電力損失を減少させることができる。

本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本願発明の第１実施例の構成を示すブロック図である。無停電電源装置１は、商用電源１０の交流電力を直流に変換して出力するＡＣ−ＤＣ電源２０と、蓄電池３０と、経路１２上に設けられ商用電力を無停電装置６０に供給するダイオード１０１と、を備えている。

無停電電源装置１は、突然の電力遮断による不具合を防止するために、停電時に商用電源から蓄電池電源へと切り替えて無停電装置６０に電力を供給するものである。ここで無停電装置６０は様々なものが考えられるが、例えば通信ネットワークに接続されたストレージサーバなどである。

商用電源１０からの経路１２と蓄電池３０からの経路１４とは装置１の出力端側で合流しており、いずれの電力が無停電装置６０に供給されるかはダイオード１０１によるＯＲ回路で切り替えられる。すなわち、蓄電池電源の電圧は商用電源のより低く設定されており、商用電力が正常に供給されている場合はダイオード１０１は商用電力を供給し、停電等により商用電力が遮断された場合にダイオード１０１は開放状態となり蓄電池３０の電力が無停電装置６０に供給される。なお、ダイオード１０１により蓄電池３０からの電流が商用電源側に流れることはない。このようにして停電時のバックアップ電源が確保される。

本発明にかかる無停電電源装置１はさらに、前記商用電源１０からの経路１２上であってダイオード１０１より上流側に接続された第１の電圧検出手段４０と、前記蓄電池３０からの経路１４に接続された第２の電圧検出手段５０と、経路１４において前記第２の電圧検出手段５０を挟んで設けられた２つのスイッチング手段１０２、１０３と、診断の実行と結果を判断する制御手段７０と、を備えている。

２つの電圧検出手段４０、５０は、経路１２、１４にかかる電圧の大きさを検出して制御手段７０に出力する。後述するが、別の実施例ではこの電圧検出手段４０、５０は経路の電圧の有無を検出するだけの構成でもよい。スイッチング手段１０２、１０３はいずれもＦＥＴ（電界効果トランジスタ）が用いられ、制御手段７０によりオン（導通）／オフ（開放）制御される。制御手段７０は、ＦＥＴ１０２、１０３を制御して電圧検出手段４０、５０の検出電圧により装置の診断を行う。

この装置１の動作について図２以降を参照して説明する。実施例によって選択的に行うこともできるが、制御手段７０は以下のようにして定期的に各部品の故障診断を実施する。図２は、ダイオード１０１の診断動作を説明するフローチャートである。なお、以下の診断動作は商用電力１０が供給されているとき、すなわち第１の電圧検出手段４０で商用電力の電圧が検出されている場合に行われるものとする。先ず、制御手段７０は蓄電池３０からの経路１４において上流側のＦＥＴ１０２をオフ（開放）とする（ステップＡ１）。この状態で第２の電圧検出手段４０にて電圧が検出されなければ（ステップＡ２：Ｎ）、ダイオード１０１は開放故障あるいは実装不良により開放と判断する（ステップＡ３）。

少なくとも導通していることが確認できた場合、ＦＥＴ１０２がオフの状態で、制御手段７０は、第１の電圧検出手段４０と第２の電圧検出手段５０の出力値の電位差を確認する（ステップＡ４）。ここで、電位差がダイオード１０１の規定の順方向電圧降下値より小さい場合（ステップＡ５：Ｎ）、ダイオード１０１の短絡故障と判断する（ステップＡ６）。所定の電位差が生じている場合はダイオード１０１は正常である（ステップＡ７）。なお、本図の動作例ではダイオード１０１の開放故障と短絡故障の診断を一度に行っているが、ステップＡ１〜Ａ３（開放故障診断）とステップＡ１、Ａ４〜Ａ７（短絡故障診断）とを個別の処理として実行してもよい。

図３は、経路１４において上流側のＦＥＴ１０２の開放故障診断を説明するフロー図である。制御手段７０は、上流側のＦＥＴ１０２をオン制御する（ステップＢ１）。この状態で第２の電圧検出手段５０において蓄電池３０の電圧が観測されない場合（ステップＢ２：Ｎ）、制御手段７０はＦＥＴ１０２が開放故障であると判断する（ステップＢ３）。

図４は、経路１４において下流側のＦＥＴ１０３の開放故障診断を説明するフロー図である。制御手段７０は、下流側のＦＥＴ１０３をオン制御する（ステップＣ１）。この状態で第２の電圧検出手段５０において電圧が検出されない場合（ステップＣ２：Ｎ）、制御手段７０はＦＥＴ１０３が開放故障であると判断する（ステップＣ３）。

図５は、ＦＥＴ１０２とＦＥＴ１０３の短絡故障診断を説明するフロー図である。制御手段７０は、ＦＥＴ１０２とＦＥＴ１０３をともにオフ制御する（ステップＤ１）。この状態で第２の電圧検出手段５０において電圧が検出された場合（ステップＤ２：Ｙ）、制御手段７０はＦＥＴ１０２と１０３の一方あるいは双方が短絡故障であると判断する（ステップＤ３）。

以上のように故障箇所の診断を行い、故障が発見されたらそれに応じた警告を出力するようにする。すなわち、図示しないが、制御手段７０は故障箇所およびその内容を示すランプを点滅させたり、ディスプレイ上に文字情報として表示したり、スピーカからブザー音を出力するよう構成することができる。保守管理者はこの表示を見て故障箇所を認識し、適切な部品交換を行うことができる。

なお、制御部７０は診断時のみならず通常運用時の動作を制御してもよい。すなわち、通常運用時に、制御手段７０は第１の電圧検出手段４０からの信号を監視し、所定値以上の電圧が検出されている間はＦＥＴ１０２（および１０３）をオフ（開放）状態としておく。この状態では商用電力が経路１２から無停電装置６０に供給され、蓄電池３０は切り離されている。ひとたび停電等により商用電力が遮断されると第１の電圧検出手段４０がこれを検知し、制御手段７０がＦＥＴ１０２（および１０３）をオン（導通）制御する。これにより蓄電池電力が無停電装置６０に供給される。

また、図３ステップＢ２がＹＥＳの場合、すなわち上流側のＦＥＴ１０２がオンの状態で第２の電圧検出手段５０において電圧が検出された場合、制御部７０は第２の電圧検出手段５０の出力値によって前記蓄電池の充・放電量を判断するようにしてもよい。検出電圧が所定の下限値より低い場合には充電量が足りないと判断し、所定の上限値より高い場合には過充電であると判断する。

図６は、無停電電源装置の第２実施例の構成を示す図である。図６に示すように、本実施例の装置２では、蓄電池３０からの経路１４上に逆電流検出手段８０が接続されている。この逆電流検出手段８０は、蓄電池３０側へ流れる電流を検出し、制御手段７０に報告する。本実施例で制御手段７０は、逆電流検出手段８０にて所定値以上の逆方向電流が検出された場合にＦＥＴ１０２、１０３をともにオフ制御する。これにより、定期的な診断の合間にＦＥＴ１０２、１０３が短絡故障を起こしたような場合でも逆電流を検知してすぐに経路１４を遮断することができ、蓄電池３０を逆電流から保護することができる。

また、本実施例の場合、制御手段７０とは異なる第２の制御手段を設けて、あるいは逆電流検出手段８０が直接に、逆電流が検出された場合に制御手段７０とは別個独立してＦＥＴ１０２、１０３をオフ制御するように構成してもよい。これにより、制御手段７０が故障・誤作動した場合でも蓄電池３０を逆電流から保護することができる。なお、その他の構成は図１に示す無停電電源装置１と同様であり、これ以上の詳細な説明は省略する。

図７は、無停電電源装置の第３実施例の構成を示す図である。図７に示すように、本実施例の装置３では、経路１２においてダイオード１０１の代わりに制御部７０によりオン／オフ制御されるＦＥＴ１０４が設けられている。本実施例では、制御手段７０が通常運用時の切り替え制御を総て行うよう構成される。すなわち、第１の電圧検出手段４０にて商用電力が検出されている間はＦＥＴ１０４がオン制御され、無停電装置６０に商用電力が供給される。この状態で停電等により商用電力が遮断されたら第１の電圧検出手段４０がこれを報告し、制御手段７０はＦＥＴ１０４をオフ制御するとともに、ＦＥＴ１０２、１０３をオン制御する。これにより経路１２が遮断され、経路１４から蓄電池電力が無停電装置６０に供給される。なお、その他の構成は図１に示す装置１と同様である。

本発明の実施例について説明したが、本発明の技術的範囲は上記の実施例に限定されるものではなく、他の様々な実施例として構成することができる。
特に、上記実施例では電圧検出手段４０、５０が電圧値を測定して蓄電池３０の充・放電量などを判定できるように構成しているが、電圧検出手段４０、５０は電圧の有無のみを検出する構成としてもよい。その場合は充電量の判定やダイオード１０１の開放故障の判定が行えなくなるが、装置の構成を簡略化して製造コストを削減することができる。

また、本発明に係る無停電電源装置はＡＣ−ＤＣ電源２０や蓄電池３０までを備える必要はなく、基板上に構成した回路として実現することができる。また、無停電電源装置は電力供給の対象である無停電装置６０に内蔵される構成としてもよい。さらに、無停電電源装置は実施環境を勘案して必要となる他の様々な機能を備えていてもよい。

本発明にかかる診断機能付き無停電電源装置は、部品の個別故障や実装不良などを自己診断することにより信頼性を向上させており、例えば通信ネットワーク上に設置されるストレージサーバなど、常時運用され停電時に動作が停止すると不都合な電気機械器具全般に適用することができる。

本発明の無停電電源装置の構成を示すブロック図である。 ダイオード１０１の診断動作を説明するフローチャートである。 ＦＥＴ１０２の開放故障診断を説明するフローチャートである。 ＦＥＴ１０３の開放故障診断を説明するフローチャートである。 ＦＥＴ１０２および１０３の短絡故障診断を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施例の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施例の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１〜３ 無停電電源装置
１０ 商用電源
２０ ＡＣ−ＤＣ電源
３０ 蓄電池
４０ 第１の電圧検出手段
５０ 第２の電圧検出手段
６０ 無停電装置
７０ 制御手段
８０ 逆電流検出手段
１０１ ダイオード
１０２〜１０４ ＦＥＴ

Claims (10)

1. 通常時は商用電源からの電力を出力し、商用電源の停電時に蓄電池からの電力を出力する無停電電源装置において、前記商用電源からの経路と蓄電池からの経路とが装置の出力端側で合流しており、前記商用電源からの経路に接続された第１の電圧検出手段（４０）と、前記蓄電池からの経路に接続された第２の電圧検出手段（５０）と、前記蓄電池からの経路において前記第２の電圧検出手段を挟んで設けられた２つのスイッチング手段（１０２，１０３）と、これらのスイッチング手段を制御して前記第１および第２の電圧検出手段の検出電圧により装置の診断を行う制御手段（７０）とを備えることを特徴とする無停電電源装置。
2. 請求項１に記載の無停電電源装置において、前記制御手段は、前記２つのスイッチング手段のうち上流側のスイッチング手段（１０２）がオン（導通）の状態で前記第２の電圧検出手段（５０）にて電圧が検出されない場合に前記上流側のスイッチング手段（１０２）が開放故障であると判断することを特徴とする無停電電源装置。
3. 請求項１または２に記載の無停電電源装置において、前記制御手段は、前記２つのスイッチング手段のうち下流側のスイッチング手段（１０３）がオンの状態で前記第２の電圧検出手段（５０）にて電圧が検出されない場合に前記下流側のスイッチング手段（１０３）が開放故障であると判断することを特徴とする無停電電源装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の無停電電源装置において、前記制御手段は、前記２つのスイッチング手段がともにオフ（開放）の状態で前記第２の電圧検出手段（５０）にて電圧が検出される場合に前記スイッチング手段の一方あるいは双方が短絡故障であると判断することを特徴とする無停電電源装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の無停電電源装置において、当該装置は前記商用電源の電圧と蓄電池電源の電圧に電圧差があり前記商用電源からの経路に設けられたダイオード（１０１）により電源の切替を行う構成であるとともに、前記制御手段は、前記下流側のスイッチング手段（１０３）がオンの状態で前記第２の電圧検出手段（５０）が電圧を検出しない場合に前記ダイオードが開放故障であると診断することを特徴とする無停電電源装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の無停電電源装置において、当該装置は前記商用電源の電圧と蓄電池電源の電圧に電圧差があり前記商用電源からの経路に設けられたダイオード（１０１）により電源の切替を行う構成であるとともに、前記制御手段は、前記下流側のスイッチング手段（１０３）がオンの状態で前記第１の電圧検出手段と第２の電圧検出手段の検出電圧の差が前記ダイオードの順方向電圧降下値より小さい場合に前記ダイオードが短絡故障であると判断することを特徴とする無停電電源装置。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の無停電電源装置において、前記商用電源からの経路に前記制御手段により制御される第３のスイッチング手段（１０４）が設けられていることを特徴とする無停電電源装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の無停電電源装置において、前記制御手段は、前記上流側のスイッチング手段（１０２）がオンの状態における前記第２の電圧検出手段（５０）の出力値によって前記蓄電池の充・放電量を判断することを特徴とする無停電電源装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の無停電電源装置において、前記上流側のスイッチング手段（１０２）と蓄電池（３０）との間に逆電流検出手段（８０）が設けられており、当該逆電流検出手段にて所定値以上の逆方向電流が検出された場合に前記上流側のスイッチング手段がオフ制御されることを特徴とする無停電電源装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の無停電電源装置を内蔵することを特徴とする電気機械器具。

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