JP5067103B2 - バックアップ給電システム - Google Patents

Description

本発明は、バックアップ給電システムに関する。

特許文献１は、バックアップ給電システムとして機能する無停電電源装置を開示する。この無停電電源装置は、商用交流電源からの交流電圧を直流電圧へ変換するレクチファイャ回路と、その直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、を有し、インバータ回路が生成した交流電圧の電力を負荷機器へ供給する。

また、特許文献１の無停電電源装置では、レクチファイャ回路とインバータ回路との間のレール配線に、バッテリの充放電回路が接続され、レール電圧を検出する回路やバッテリの電圧を検出する回路などを有する。

特開２００５−１４３２５０号公報（図１、要約など）

従来の無停電電源装置などは、バッテリによるバックアップ給電をする場合、バッテリをレール配線対に接続する。そして、バッテリは、レクチファイャ回路などの交直変換回路が動作している最中にもレール配線対に接続しておくことが一般的である。これにより、商用交流電源が停電したとしても、瞬断を生じることなくバッテリによるバックアップ給電を開始することができる。

しかしながら、交直変換回路が動作している最中に開閉器によりバッテリを接続した場合、その接続の際に過大な突入電流の発生が発生してしまうことがある。たとえば、バッテリの蓄電電圧が交直変換回路の出力電圧より低い場合、それらの電位差により交直変換回路の出力段の平滑コンデンサからバッテリへ向かって過大な突入電流が流れてしまうことになる。

本発明は、このような起動時の過大な電流の発生を防止しつつ、バッテリによりバックアップされている所望の直流電圧を出力するように交直変換回路を始動することができるバックアップ電源システムを得ることを目的とする。

本発明に係るバックアップ電源システムは、入力される交流電圧をスイッチング動作により直流電圧へ変換する交直変換回路と、バッテリを交直変換回路の出力へ接続する開閉器と、交直変換回路が所望の直流電圧を出力するように交直変換回路による交直変換動作を制御する制御手段と、開閉器よりバッテリ側において、バッテリの出力電圧を検出する検出手段と、を有する。そして、制御手段は、交直変換回路のスイッチング動作を始動するときのバッテリの電圧を記憶する始動時バッテリ電圧メモリと、バッテリの定格充電電圧値を記憶する定格充電電圧メモリと、始動時バッテリ電圧メモリに記憶されるバッテリの電圧値を最初に選択し、その後に定格充電電圧メモリに記憶される定格充電電圧値を選択する選択部と、交直変換回路の出力電圧の瞬時目標値として、選択部により選択されている電圧値に向かって所定時間かけて漸近的に変化する値を演算する第一ソフトスタートフィルタ部と、を有し、制御手段は、開閉器によりバッテリが交直変換回路の出力から切り離されている状態において、第一ソフトスタートフィルタ部により演算された値またはそれに応じた値に基づいて交直変換回路を始動し、交直変換回路の出力電圧を前記検出手段により検出されるバッテリの出力電圧に所定の時間かけて漸近的に変化させて略バッテリ出力電圧値にする制御を実行した後、開閉器によりバッテリを交直変換回路の出力へ接続し、その後、交直変換回路が所望の直流電圧を出力するように制御する。

この構成を採用すれば、バックアップ電源システムは、交直変換回路の出力電圧がバッテリの出力電圧と略揃った状態において開閉器を閉じることができる。開閉器を閉じたときに、交直変換回路とバッテリとの間においてそれらの電位差に起因する過大な突入電流の発生を防止することができる。また、そのような起動時の過大な電流の流れの発生を防止しつつ、バッテリによりバックアップされている所望の直流電圧を出力するように交直変換回路を始動することができる。

また、開閉器によりバッテリが交直変換回路の出力から切り離されている状態において交直変換回路を始動する場合、制御手段は、交直変換回路の出力電圧をバッテリの出力電圧とする制御を実行してから、所定の時間の後に、交直変換回路が所望の直流電圧を出力するように制御することができる。しかも、ソフトスタート制御により、交直変換回路の出力電圧が始動時のバッテリ電圧や定格充電電圧値へ急激に変化してしまうことはない。そのため、起動制御中の急激な電圧変化に起因する過電流の発生が抑制される。

本発明に係るバックアップ電源システムは、上述した発明の各構成に加えて以下の特徴を有するものである。すなわち、バックアップ電源システムは、さらに、交直変換回路がスイッチング動作していないときに交直変換回路の出力電圧を入力される交流電圧と平衡する初期充電電圧まで充電する初期充電回路を有する。そして、制御手段は、交直変換回路のスイッチング動作を開始するときの初期充電電圧値を記憶する初期充電電圧メモリと、第一ソフトスタートフィルタ部の演算値から初期充電電圧値を減算する減算部と、減算部の演算結果に向かって漸近的に変化する値を演算する第二ソフトスタートフィルタ部と、第二ソフトスタートフィルタ部の演算値に初期充電電圧値を加算する加算部と、を有する。また、制御手段は、この加算部の演算結果を交直変換回路の出力電圧の瞬時目標値とする。

この構成を採用すれば、初期充電回路により交直変換回路などを充電してから、交直変換回路のスイッチング動作を開始するので、交直変換回路のスイッチング動作を開始するときに、交直変換回路において過大な電流が流れないようにすることができる。しかも、そのように０ボルトではない不定の初期充電電圧となっている状態から漸近的に電圧を上昇させるソフトスタートをすることができるので、交直変換回路のスイッチング動作を開始するときの初期電圧が０ボルトでないにもかかわらず、スイッチング動作を開始した後における過電流も抑制することができる。

本発明に係るバックアップ電源システムは、上述した発明の各構成に加えて以下の特徴を有するものである。すなわち、制御手段は、開閉器を開いた状態におけるバッテリの出力電圧がバックアップ電源用として正常に機能することができる所定の電圧範囲内である場合には、まず交直変換回路の出力電圧をバッテリの出力電圧とする制御を実行した後、開閉器によりバッテリを交直変換回路の出力へ接続し、その後、交直変換回路が所望の直流電圧を出力するように制御する。また、制御手段は、開閉器を開いた状態におけるバッテリの出力電圧がバックアップ電源用として正常に機能することができる所定の電圧範囲外である場合には、交直変換回路の出力電圧を所望の直流電圧とする制御を実行した後、開閉器によりバッテリを交直変換回路の出力へ接続する。

この構成を採用すれば、バッテリが接続されていない場合、所定の電圧範囲外であると判断し、起動時の制御において、交直変換回路の出力電圧をバッテリの出力電圧とする制御をしないようにすることができる。そのため、たとえばバッテリが接続されていない場合にはバッテリの検出電圧が不定な電圧となってしまうおそれがあるが、そのような不定の電圧への予期できない制御をしないようにすることができる。また、そのような予期できない制御をした場合における、予想しえない過電流の発生を防止することができる。

本発明では、このような起動時の過大な電流の発生を防止しつつ、バッテリによりバックアップされている所望の直流電圧を出力するように交直変換回路を始動することができる。

以下、本発明の実施の形態に係るバックアップ電源システムを、図面に基づいて説明する。バックアップ電源システムは、バックアップ機能を有し、電力系統などにおいて使用される大型の電源システムを例に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るバックアップ電源システム１を示すシステム構成図である。バックアップ電源システム１は、入力端子１１と、出力端子１９と、を有する。入力端子１１には、図示外の交流電源（電源系統）が接続され、三相交流電力が入力される。入力端子１１は、手動開閉器１２、入力用電磁開閉器１３、昇圧リアクタ１４を介してレクチファイャ回路１５に接続される。レクチファイャ回路１５は、レール配線対１６を介してインバータ回路１７に接続される。インバータ回路１７は、切替回路１８を介して出力端子１９に接続される。出力端子１９には、図示外の負荷機器（負荷系統）が接続され、三相交流電力を出力する。

手動開閉器１２は、たとえば整備点検時などにおいて、レクチファイャ回路１５を入力端子１１から切り離すために用いられる。手動開閉器１２は、バックアップ電源システム１の運転中には閉じている。

入力用電磁開閉器１３は、バックアップ電源システム１を起動する際に使用されるものであり、初期充電回路２０による起動処理後に閉じられる。入力用電磁開閉器１３は、バックアップ電源システム１の運転中には閉じている。初期充電回路２０は、バックアップ電源システム１を起動する際に、レクチファイャ回路１５の動作を開始する前に、レクチファイャ回路１５の内部回路やレール配線対１６の電圧などを、所定の時間をかけて、入力電圧と略平衡する初期充電電圧まで充電するソフトスタート制御を実行する。なお、このときのレール配線対１６の初期充電電圧は、レクチファイャ回路１５がスイッチング動作するときの電圧より低い。

交直変換回路としてのレクチファイャ回路１５は、その入力電圧から一定の電圧を生成して、レール配線対１６へ出力する回路であり、３組のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ
Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３１と、ＩＧＢＴ３１と同数のダイオード３２と、平滑コンデンサ３３と、を有する。各ＩＧＢＴ３１は、昇圧リアクタ１４とレール配線との間に接続される。各ダイオード３２は、各ＩＧＢＴ３１と並列に接続される。平滑コンデンサ３３は、レール配線対１６に接続される。３組のＩＧＢＴ３１を所定のタイミングでオンオフ制御すると、昇圧リアクタ１４に電圧が誘導され、この電圧により平滑コンデンサ３３が充電される。平滑コンデンサ３３により平滑化された電圧が、レール配線対１６へ出力される。

インバータ回路１７は、その入力電圧から所定の周波数の交流電圧を生成して、切替回路１８へ出力する回路であり、レクチファイャ回路１５と同様に図示外の３組のＩＧＢＴを有する。インバータ回路１７は、たとえば、入力端子１１に入力される三相交流電力と同相の交流電圧を生成する。

切替回路１８は、インバータ回路１７からの交流電圧と、図示外のバイパス入力端子２１からの交流電圧の中の一方を択一的に選択して、出力端子１９へ出力する。切替回路１８が選択した交流電圧が、出力端子１９に接続される図示外の負荷機器へ供給される。

また、バックアップ電源システム１は、この他にも、バッテリ２２、コントローラ２３、各種の検出回路を有する。各種の検出回路としては、たとえば、入力端子１１に入力される入力電圧を検出する回路（入力電圧検出回路）２４、昇圧リアクタ１４を流れる入力電流を検出する回路（入力電流検出回路）２５、レール配線対１６の電位差（以下、レール電圧という。）を検出する回路（レール電圧検出回路）２６、バッテリ２２の蓄電電圧（以下、バッテリ電圧という。）を検出する回路（検出手段としてのバッテリ電圧検出回路）２７、バッテリ２２に入出力する電流を検出する回路（バッテリ電流検出回路）２８がある。これらの検出回路２４〜２８は、検出信号をコントローラ２３へ出力する。

バッテリ２２は、電力を蓄電するものであり、開閉器としてのバッテリ用電磁開閉器２９を介してレール配線対１６に接続される。バッテリ用電磁開閉器２９が閉じると、バッテリ２２は、レール配線対１６に電気的に接続され、充電あるいは放電をする。バッテリ用電磁開閉器２９が開くと、バッテリ２２はレール配線対１６から電気的に切り離される。

コントローラ２３は、バックアップ電源システム１の給電動作を制御するものであり、たとえばコンピュータなどにより実現することができる。バックアップ電源システム１の給電動作には、たとえば、入力端子１１に入力される交流電力を出力端子１９に接続される負荷機器へ供給する商用運転モード、バッテリ２２の蓄電電力を出力端子１９に接続される負荷機器へ供給するバックアップ運転モード、バイパス入力端子２１に入力される交流電力を出力端子１９に接続される負荷機器へ供給するバイパス運転モードなどがある。

コントローラ２３は、図示外のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ
Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリなどを有する。そして、ＣＰＵがメモリに記憶される図示外のプログラムを実行することにより、コントローラ２３には、入力部４１、制御部４２、出力部４３などの機能が実現される。

入力部４１には、各種の検出回路２４〜２８が接続されて、各検出回路２４〜２８から検出信号が入力される。

出力部４３には、各種の制御対象部材が接続される。制御対象部材としては、たとえば、入力用電磁開閉器１３、初期充電回路２０、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１、バッテリ用電磁開閉器２９、インバータ回路１７の図示外の複数のＩＧＢＴ、切替回路１８などである。出力部４３は、これらの制御対象部材へ制御信号（たとえば各ＩＧＢＴ３１へのゲート信号など）を出力する。

制御手段としての制御部４２は、外部通信などにより指示された運転モードでバックアップ電源システム１の動作を制御する。たとえば、商用運転モードでは、制御部４２は、入力用電磁開閉器１３を閉じ、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１およびインバータ回路１７の図示外の複数のＩＧＢＴに所定のスイッチング動作をさせ、切替回路１８にインバータ回路１７を選択させる。これにより、入力端子１１に入力される交流電圧がレクチファイャ回路１５により直流電圧へ変換され、さらにインバータ回路１７により交流電圧へ変換されて出力端子１９から出力されることになる。なお、この商用運転モードにおいて、バッテリ用電磁開閉器２９は、開いていても閉じていてもよい。バッテリ用電磁開閉器２９が閉じている場合、バッテリ２２は、レール配線対１６に接続され、このレール配線対１６のレール電圧により充電される。

バックアップ運転モードでは、制御部４２は、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１のスイッチング動作を停止させ、バッテリ用電磁開閉器２９を閉じ、インバータ回路１７の図示外の複数のＩＧＢＴに所定のスイッチング動作をさせ、切替回路１８にインバータ回路１７側を選択させる。これにより、バッテリ２２の蓄電電力がレール配線対１６を介してインバータ回路１７へ供給され、インバータ回路１７は、交流電圧を出力端子１９から出力する。なお、このバックアップ運転モードにおいて、入力用電磁開閉器１３は、開いていても閉じていてもよい。

バイパス運転モードでは、制御部４２は、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１およびインバータ回路１７の図示外の複数のＩＧＢＴのスイッチング動作を停止させ、切替回路１８に図示外のバイパス入力端子２１側を選択させる。これにより、バイパス入力端子２１からの交流電圧が、出力端子１９から出力されることになる。なお、このバイパス運転モードにおいて、入力用電磁開閉器１３、バッテリ用電磁開閉器２９は、開いていても閉じていてもよい。

図２は、レクチファイャ回路１５の操作量を演算するために図１中の制御部４２中に実現される制御系の一部を示すブロック図である。図１中の制御部４２には、レクチファイャ回路１５を制御するために、目標値計算部５１、垂下制御系操作量レジスタ５２、第一減算部５３、レール電圧値レジスタ５４、第二減算部５５、レール電圧制御部５６が実現される。

図３は、図２中の目標値計算部５１の詳細な構成を示すブロック図である。目標値計算部５１は、定格充電電圧値レジスタ６１、始動時バッテリ電圧値レジスタ６２、選択部６３、第一ソフトスタートフィルタ部６４、始動時レール電圧値レジスタ６５、第三減算部６６、第二ソフトスタートフィルタ部６７、加算部６８、目標値レジスタ６９を有する。

目標値計算部５１の定格充電電圧メモリとしての定格充電電圧値レジスタ６１は、バッテリ２２の定格充電電圧値（フル充電電圧値）を記憶する。始動時バッテリ電圧メモリとしての始動時バッテリ電圧値レジスタ６２は、始動時に検出されたバッテリ電圧値（現在の充電電圧値）を記憶する。選択部６３は、これらの中の一方を選択して、第一ソフトスタートフィルタ部６４へ供給する。第一ソフトスタートフィルタ部６４は、所定の時間（たとえば２０秒など）をかけて、選択部６３により選択された電圧へ漸近的に変化する電圧値を出力する。

初期充電電圧メモリとしての始動時レール電圧値レジスタ６５は、スイッチング動作をしていないレクチファイャ回路１５の動作を始動させるときの最初の目標となる電圧値を記憶する。具体的には、コールドスタート時の初期充電後に検出されるレール電圧値を記憶する。初期充電回路２０により初期充電がなされた場合、始動時レール電圧値レジスタ６５には、初期充電電圧が記憶される。

減算部としての第三減算部６６は、第一ソフトスタートフィルタ部６４が出力する電圧値から始動時レール電圧値を減算して、第二ソフトスタートフィルタ部６７へ供給する。第二ソフトスタートフィルタ部６７は、所定の時間（たとえば２０秒など）をかけて、第三減算部６６により演算された電圧へ漸近的に変化する電圧値を出力する。加算部６８は、第二ソフトスタートフィルタ部６７が出力する電圧値に始動時レール電圧値を加算する。目標値レジスタ６９は、この加算部６８により演算された電圧値を目標電圧値として記憶する。

図４は、通常のソフトスタート時に目標値レジスタ６９に記憶される目標電圧値の推移を示す説明図である。横軸は、レクチファイャ回路１５のソフトスタート開始からの経過時間であり、縦軸は、目標電圧値である。

図３のブロック図に示すように、通常のソフトスタート時（ｔ１）では、まず、目標値レジスタ６９には始動時レール電圧値（初期充電電圧）が目標電圧値として記憶される。その後、目標電圧値は、経過時間ｔ２までにバッテリ電圧値まで漸近的に増加し、さらに定格電圧値まで漸近的に増加するように変化する。図２中の目標値計算部５１は、このように起動開始からの経過時間とともに変化する目標電圧値を出力する。

垂下制御系操作量レジスタ５２は、たとえば検出される入力電流やバッテリ電力に基づいて過電流抑制などのために演算される垂下制御用の操作量を記憶する。第一減算部５３は、目標値計算部５１が演算した目標電圧値から、垂下制御用の操作量を減算する。

レール電圧値レジスタ５４は、検出された現在のレール電圧値を記憶する。レール電圧値は、起動制御が開始されると、目標電圧値の変化にしたがって、始動時レール電圧値から変化する。レール電圧値レジスタ５４は、そのリアルタイムのレール電圧値を記憶する。第二減算部５５は、第一減算部５３の演算結果から、現在のレール電圧値を減算する。レール電圧制御部５６は、第二減算部５５の演算結果に基づいて、瞬時目標レール電圧を演算する。

なお、レール電圧制御部５６が演算した瞬時目標レール電圧は、制御部４２中の図示外の力率演算部へ供給されて力率の演算に使用され、さらに制御部４２中の図示外のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ
Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御部によるスイッチングパルスの生成に利用される。そして、出力部４３は、このスイッチングパルスを、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１へ出力する。これにより、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１は、スイッチング動作する。レール配線対１６の電位差は、図２中の目標値計算部５１が出力する目標電圧値などにしたがって変化する。

次に、以上の構成を有するバックアップ電源システム１の動作を説明する。以下の説明では、主に、スイッチング動作をしていないレクチファイャ回路１５の動作を開始させるときのソフトスタート制御時の動作を説明する。なお、手動開閉器１２は閉じているものとする。

ソフトスタート制御の開始時には、制御部４２は、まず、入力用電磁開閉器１３を開いたまま、初期充電回路２０を動作させる。出力部４３は、制御部４２の指示に基づいて初期充電回路２０へ制御開始を指示する制御信号を出力する。初期充電回路２０は、所定の時間をかけて、レクチファイャ回路１５の内部回路やレール配線対１６の電圧などを入力電圧と略平衡する初期充電電圧まで充電する。

初期充電回路２０を動作させてから、レール配線対１６の電位差が略初期充電電圧となる所定の時間が経過すると、制御部４２は、入力用電磁開閉器１３を閉じてから初期充電回路２０を停止させる。これにより、レール配線対１６の電位差は、略初期充電電圧となる。

また、制御部４２は、バッテリ２２の有無を判断し、その判断結果に応じたレクチファイャ回路１５の起動方法を選択する。なお、所定の時間は、図示外のタイマなどにより計測させればよい。

制御部４２は、バッテリ２２の有無を直接に検出することができない。そのため、制御部４２は、バッテリ用電磁開閉器２９を開いた状態における（開く制御をした後の）バッテリ電圧を取得し、バッテリ電圧が所定の電圧範囲（たとえば２８０ボルト以上、４８０ボルト以下）内であるか否かを判断する。この電圧範囲は、たとえば、バッテリ２２がバックアップ電源用として正常に機能することができる範囲として設定すればよい。

そして、バッテリ電圧が所定の電圧範囲内である場合には、制御部４２は、バッテリ有りと判断し、所定の電圧範囲内でない場合には、バッテリ無しと判断する。バッテリ２２が物理的に存在しない場合には、バッテリ電圧は、通常０ボルトとなる。制御部４２は、バッテリ２２の有無を正確に判断することができる。

バッテリ有りと判断した場合、制御部４２は、バッテリ用電磁開閉器２９を開いた状態に維持したまま、まず、選択部６３に始動時バッテリ電圧値レジスタ６２を選択させて、レクチファイャ回路１５の通常のソフトスタート制御を開始する（ｔ１）。始動時バッテリ電圧値レジスタ６２は、検出されたバッテリ電圧値（現在の充電電圧値）を記憶する。図２中の目標値計算部５１は、図４に示すように、所定の時間（たとえば２０秒など）をかけて、初期充電電圧からバッテリ電圧値へ漸近的に変化する電圧値を出力する。レール電圧制御部５６は、この目標の電圧値と、垂下制御用の操作量と、現在のレール電圧値とに応じて変化する瞬時目標レール電圧を演算する。

レール電圧制御部５６により演算された瞬時目標レール電圧は、制御部４２中の図示外の力率演算部へ供給されて力率の演算に使用され、さらに制御部４２中の図示外のＰＷＭ制御部によるスイッチングパルスの生成に利用される。そして、出力部４３は、このスイッチングパルスを、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１へ出力する。これにより、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１は、スイッチング動作する。レール配線対１６の電位差は、初期充電電圧からバッテリ電圧値へ漸近的に変化する。

選択部６３に始動時バッテリ電圧値レジスタ６２を選択させてから、レール配線対１６の電位差が略バッテリ電圧値となる所定の時間が経過すると、制御部４２は、バッテリ用電磁開閉器２９を閉じる。

また、制御部４２は、選択部６３に定格充電電圧値レジスタ６１を選択させる。定格充電電圧値レジスタ６１は、バッテリ２２の定格充電電圧値（フル充電電圧値）を記憶する。図２中の目標値計算部５１は、図４に示すように、所定の時間（たとえば２０秒など）をかけて、バッテリ電圧値から定格充電電圧値へ漸近的に変化する電圧値を出力する。レール電圧制御部５６は、この目標の電圧値と、垂下制御用の操作量と、現在のレール電圧値とに応じて変化する瞬時目標レール電圧を演算する。

レール電圧制御部５６により演算された瞬時目標レール電圧は、制御部４２中の図示外の力率演算部へ供給されて力率の演算に使用され、さらに制御部４２中の図示外のＰＷＭ制御部によるスイッチングパルスの生成に利用される。そして、出力部４３は、このスイッチングパルスを、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１へ出力する。これにより、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１は、スイッチング動作する。レール配線対１６の電位差は、バッテリ電圧値から定格充電電圧値へ漸近的に変化する。

図５は、バッテリ有りと判断された場合における、通常のコールドスタート制御中のレール配線対１６の電位差の変化を示す波形図である。横軸は、制御開始からの経過時間であり、縦軸は、レール配線対１６の電位差である。

通常のソフトスタート制御が開始されると、レール配線対１６の電位差は、まず、初期充電制御により、経過時間ｔ１までの期間において、０ボルトから初期充電電圧へ漸近的に上昇する。その後、レール配線対１６の電位差は、ｔ２までの期間において、バッテリ電圧値までさらに上昇した後、経過時間ｔ２以降において、定格充電電圧値までさらに上昇している。そして、このレール配線対１６の電位差が略バッテリ電圧値となっている状態において、バッテリ用電磁開閉器２９が閉じられる。

したがって、レール配線対１６の電位差とバッテリ２２の蓄電電圧との電位差がほとんど無い状態において、バッテリ用電磁開閉器２９を閉じるので、レクチファイャ回路１５の出力段の平滑コンデンサ３３とバッテリ２２との間で過大な突入電流が流れてしまわないようにすることができる。

次に、初期充電後の判断においてバッテリ無しと判断した場合について説明する。この場合、制御部４２は、バッテリ用電磁開閉器２９を開いた状態に維持したまま、選択部６３に定格充電電圧値レジスタ６１を選択させる。定格充電電圧値レジスタ６１は、バッテリ２２の定格充電電圧値（フル充電電圧値）を記憶する。図２中の目標値計算部５１は、所定の時間（たとえば２０秒など）をかけて、初期充電電圧から定格充電電圧値へ漸近的に変化する電圧値を出力する。レール電圧制御部５６は、この目標の電圧値と、垂下制御用の操作量と、現在のレール電圧値とに応じて変化する瞬時目標レール電圧を演算する。

レール電圧制御部５６により演算された瞬時目標レール電圧は、制御部４２中の図示外の力率演算部へ供給されて力率の演算に使用され、さらに制御部４２中の図示外のＰＷＭ制御部によるスイッチングパルスの生成に利用される。そして、出力部４３は、このスイッチングパルスを、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１へ出力する。これにより、レクチファイャ回路１５の複数のＩＧＢＴ３１は、スイッチング動作する。レール配線対１６の電位差は、初期充電電圧値から定格充電電圧値へ漸近的に変化する。

その後、選択部６３に定格充電電圧値レジスタ６１を選択させてから、レール配線対１６の電位差が略定格充電電圧値となる所定の時間が経過すると、制御部４２は、バッテリ用電磁開閉器２９を閉じる。

図６は、バッテリ無しと判断された場合における、ソフトスタート制御中のレール配線対１６の電位差の変化を示す波形図である。横軸は、制御開始からの経過時間であり、縦軸は、レール配線対１６の電位差である。

バッテリ無しの場合のソフトスタート制御が開始されると、レール配線対１６の電位差は、まず、初期充電制御により、ｔ１までの期間において、０ボルトから初期充電電圧へ漸近的に上昇する。その後、レール配線対１６の電位差は、ｔ２までの期間において、定格充電電圧値までさらに上昇する。そして、このレール配線対１６の電位差が略定格充電電圧値となっている状態において、バッテリ用電磁開閉器２９が閉じられる。

なお、この場合、もしもバッテリ２２が接続されていた場合には、レール配線対１６の電位差とバッテリ２２の蓄電電圧との電位差が生じている可能性がある。そのため、バッテリ用電磁開閉器２９が閉じられることで、レクチファイャ回路１５の出力段の平滑コンデンサ３３とバッテリ２２との間で過大な突入電流が流れてしまうことがある。ただし、バッテリ２２が実際に接続されていない場合には、そのような電流が流れてしまうことはない。

以上のソフトスタートの起動時とは別に、レクチファイャ回路１５のスイッチング動作は、たとえば入力電圧が停電などにより無くなった場合などにおいても停止させられる。その後、停電が復旧したことを入力電圧などに基づいて判断すると、制御部４２は、レクチファイャ回路１５のスイッチング動作を再開する。

図７は、バッテリ２２によるバックアップ給電中に停電復旧があった場合の、レール配線対１６の電位差の変化を示す波形図である。横軸は、制御開始からの経過時間であり、縦軸は、レール配線対１６の電位差である。

バックアップ給電中には、バッテリ用電磁開閉器２９が閉じられており、レール配線対１６の電位差はバッテリ電圧値となっている。そして、時刻ｔ３において停電復旧を判断すると、制御部４２は、選択部６３に定格充電電圧値レジスタ６１を選択させる。図２中の目標値計算部５１は、バッテリ電圧値から定格充電電圧値へ漸近的に変化する電圧値を出力する。レクチファイャ回路１５は、この電圧に基づいて生成されるスイッチングパルスにより動作し、レール配線対１６の電位差は、バッテリ電圧値から定格充電電圧値へ漸近的に変化する。

以上のように、この実施の形態によれば、バックアップ電源システム１は、レクチファイャ回路１５の出力電圧（レール電圧）がバッテリ２２の出力電圧と略揃った状態においてバッテリ用電磁開閉器２９を閉じることができる。バッテリ用電磁開閉器２９を閉じたときに、レクチファイャ回路１５とバッテリ２２との間においてそれらの電位差に起因する過大な突入電流の発生を防止することができる。また、そのような起動時の過大な電流の流れの発生を防止しつつ、バッテリ２２によりバックアップされている所望の直流電圧を出力するようにレクチファイャ回路１５を始動することができる。

また、この実施の形態では、図５に示すように、バッテリ用電磁開閉器２９によりバッテリ２２がレクチファイャ回路１５の出力から切り離されている状態においてレクチファイャ回路１５を始動する場合、制御部４２は、レクチファイャ回路１５の出力電圧をバッテリ２２の出力電圧とする制御を実行してから、所定の時間の後に、レクチファイャ回路１５が所望の直流電圧を出力するように制御することができる。しかも、ソフトスタート制御により、レクチファイャ回路１５の出力電圧が始動時のバッテリ電圧や定格充電電圧値へ急激に変化してしまうことはない。そのため、起動制御中の急激な電圧変化に起因する過電流の発生が抑制される。

また、この実施の形態では、初期充電回路２０によりレクチファイャ回路１５などを充電してから、レクチファイャ回路１５のスイッチング動作を開始するので、レクチファイャ回路１５のスイッチング動作を開始するときに、レクチファイャ回路１５において過大な電流が流れないようにすることができる。しかも、そのように０ボルトではない不定の初期充電電圧となっている状態から漸近的に電圧を上昇させるソフトスタートをすることができるので、レクチファイャ回路１５のスイッチング動作を開始するときの初期電圧が０ボルトでないにもかかわらず、スイッチング動作を開始した後における過電流も抑制することができる。

また、この実施の形態では、図６に示すように、バッテリ２２が接続されていない場合、制御部４２は、所定の電圧範囲外であると判断し、起動時の制御において、レクチファイャ回路１５の出力電圧をバッテリ２２の出力電圧とする制御をしないようにすることができる。そのため、たとえばバッテリ２２が接続されていない場合にはバッテリ２２の検出電圧が不定な電圧となってしまうおそれがあるが、そのような不定の電圧への予期できない制御をしないようにすることができる。また、そのような予期できない制御をした場合における、予想しえない過電流の発生を防止することができる。

以上の実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の例であるが、本発明は、これに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形や変更が可能である。

上記実施の形態では、バックアップ電源システム１は、所謂大型のものであり、レクチファイャ回路１５、インバータ回路１７、コントローラ２３などにより構成されている。この他にもたとえば、バックアップ電源システム１は、レクチファイャ回路１５、インバータ回路１７、コントローラ２３などが一体化された小型のものであってもよい。この小型のバックアップ電源システム１は、たとえば無停電電源装置などとして形成されていればよい。そして、この無停電電源装置では、コントローラ２３は、マイクロコンピュータなどにより構成されていればよい。

本発明は、バッテリを用いたバックアップ給電システムにおいて、過大な電流が流れ難くするために好適に利用することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るバックアップ電源システムを示すシステム構成図である。 図２は、図１中のレクチファイャ回路の操作量を演算するために制御部に実現される制御系の一部を示すブロック図である。 図３は、図２中の目標値計算部の詳細な構成を示すブロック図である。 図４は、通常のソフトスタート時に目標値レジスタに記憶される目標電圧値の推移を示す説明図である。 図５は、バッテリ有りと判断された場合における、通常のソフトスタート制御中のレール配線対の電位差の変化を示す波形図である。 図６は、バッテリ無しと判断された場合における、ソフトスタート制御中のレール配線対の電位差の変化を示す波形図である。 図７は、バッテリによるバックアップ給電中に停電復旧があった場合の、レール配線対の電位差の変化を示す波形図である。

１ バックアップ給電システム
１５ レクチファイャ回路（交直変換回路）
２０ 初期充電回路
２９ バッテリ用電磁開閉器（開閉器）
２７ バッテリ電圧検出回路（検出手段）
４２ 制御部（制御手段）
６１ 定格充電電圧値レジスタ（定格充電電圧メモリ）
６２ 始動時バッテリ電圧値レジスタ（始動時バッテリ電圧メモリ）
６３ 選択部
６４ 第一ソフトスタートフィルタ部
６５ 始動時レール電圧値レジスタ（初期充電電圧メモリ）
６６ 第三減算部（減算部）
６７ 第二ソフトスタートフィルタ部
６８ 加算部

Claims (3)

1. 入力される交流電圧をスイッチング動作により直流電圧へ変換する交直変換回路と、
   バッテリを前記交直変換回路の出力へ接続する開閉器と、
   前記交直変換回路が所望の直流電圧を出力するように前記交直変換回路による交直変換動作を制御する制御手段と、
   前記開閉器より前記バッテリ側において、前記バッテリの出力電圧を検出する検出手段と、を有し、
   前記制御手段は、
   前記交直変換回路のスイッチング動作を始動するときの前記バッテリの電圧を記憶する始動時バッテリ電圧メモリと、
   前記バッテリの定格充電電圧値を記憶する定格充電電圧メモリと、
   前記始動時バッテリ電圧メモリに記憶されるバッテリの電圧値を最初に選択し、その後に前記定格充電電圧メモリに記憶される定格充電電圧値を選択する選択部と、
   前記交直変換回路の出力電圧の瞬時目標値として、前記選択部により選択されている電圧値に向かって所定時間かけて漸近的に変化する値を演算する第一ソフトスタートフィルタ部と、
   を有し、
   前記制御手段は、前記開閉器により前記バッテリが前記交直変換回路の出力から切り離されている状態において、前記第一ソフトスタートフィルタ部により演算された値またはそれに応じた値に基づいて前記交直変換回路を始動し、前記交直変換回路の出力電圧を前記検出手段により検出される前記バッテリの出力電圧に所定の時間かけて漸近的に変化させて略バッテリ出力電圧値にする制御を実行した後、前記開閉器により前記バッテリを前記交直変換回路の出力へ接続し、その後、前記交直変換回路が所望の直流電圧を出力するように制御すること、
   を特徴とするバックアップ電源システム。
2. 前記交直変換回路がスイッチング動作していないときに前記交直変換回路の出力電圧を入力される交流電圧と平衡する初期充電電圧まで充電する初期充電回路を有し、
   前記制御手段は、
   前記交直変換回路のスイッチング動作を開始するときの初期充電電圧値を記憶する初期充電電圧メモリと、
   前記第一ソフトスタートフィルタ部の演算値から前記初期充電電圧値を減算する減算部と、
   前記減算部の演算結果に向かって所定の時間かけて漸近的に変化する値を演算する第二ソフトスタートフィルタ部と、
   上記第二ソフトスタートフィルタ部の演算値に前記初期充電電圧値を加算する加算部と、を有し、
   この加算部の演算結果を前記交直変換回路の出力電圧の瞬時目標値とすること、
   を特徴とする請求項１記載のバックアップ給電システム。
3. 前記制御手段は、
   前記開閉器を開いた状態における前記バッテリの出力電圧がバックアップ電源用として正常に機能することができる所定の電圧範囲内である場合には、まず前記交直変換回路の出力電圧を前記バッテリの出力電圧とする制御を実行した後、前記開閉器により前記バッテリを前記交直変換回路の出力へ接続し、その後、前記交直変換回路が所望の直流電圧を出力するように制御し、
   前記開閉器を開いた状態における前記バッテリの出力電圧が前記バックアップ電源用として正常に機能することができる所定の電圧範囲外である場合には、前記交直変換回路の出力電圧を前記所望の直流電圧とする制御を実行した後、前記開閉器により前記バッテリを前記交直変換回路の出力へ接続すること、
   を特徴とする請求項１または２に記載のバックアップ給電システム。

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