JP5327691B2 - 無停電電源装置 - Google Patents
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交流電源電圧を供給するための第1及び第2の電源端子と、
第1及び第2のコンデンサの直列回路と、
前記第1及び第2のコンデンサの直列回路に対して並列に接続された第1及び第2のスイッチの直列回路と、
前記第1及び第2のコンデンサの直列回路に対して並列に接続された第3及び第4のスイッチの直列回路と、
前記第1及び第2のコンデンサの直列回路に対して並列に接続された蓄電池と、
前記第1及び第2のスイッチの相互接続点と前記第2の電源端子との間に接続されたリアクトルと、
前記第3及び第4のスイッチの相互接続点と前記第2の電源端子との間に前記リアクトルを介することなく接続された負荷と、
前記第1の電源端子と前記第1及び第2のコンデンサの相互接続点との間に接続された入力スイッチと、
前記第1及び第2の電源端子に交流電源電圧が正常に供給されている時に、前記入力スイッチをオン状態に制御し且つハーフブリッジ型コンバータ動作で前記交流電源電圧を直流電圧に変換するように前記第1及び第2のスイッチを制御し且つハーフブリッジ型インバータ動作で前記第1及び第2のコンデンサの直流電圧を前記交流電源電圧に同期して交流電圧に変換するように前記第3及び第4のスイッチを制御し、前記交流電源電圧が異常の時に前記入力スイッチをオフ状態に制御し且つフルブリッジ型インバータ動作で前記蓄電池の直流電圧を前記負荷が要求する交流電圧に変換するように前記第1、第2、第3及び第4のスイッチを制御する制御回路と
を備え、前記制御回路は、
前記交流電源電圧を直流電圧に変換する時に前記第1及び第2のスイッチをハーフブリッジ型コンバータ動作させるための第1及び第2のコンバータ制御信号を形成する交流―直流変換制御回路と、
前記交流―直流変換制御回路から得られた第1及び第2のコンバータ制御信号を前記第1及び第2のスイッチに送る信号伝送路と、
前記第1及び第2のコンデンサの直流電圧を交流電圧に変換する時に前記第3及び第4のスイッチをインバータ動作させるための第1及び第2のインバータ制御信号を形成する直流―交流変換制御回路と、
前記直流―交流変換制御回路から得られた第1及び第2のインバータ制御信号を前記第3及び第4のスイッチの制御端子に送る信号伝送路と、
前記交流電源電圧の異常を検出する異常検出手段を含み、前記異常検出手段で異常が検出されていない時に前記第3及び第4のスイッチによるハーフブリッジ型インバータモードを示し、前記異常検出手段で異常が検出された時に前記第1、第2、第3及び第4のスイッチによるフルブリッジ型インバータモードを示すモード切換制御信号を発生するモード切換制御回路と、
前記フルブリッジ型インバータモードを示す前記モード切換制御信号に応答してオン状態になり、前記直流―交流変換制御回路から得られた第1のインバータ制御信号を前記第2のスイッチの制御端子に送る第1のインバータ制御信号伝送用スイッチ(80)と、
前記フルブリッジ型インバータモードを示す前記モード切換制御信号に応答してオン状態になり、前記直流―交流変換制御回路から得られた第2のインバータ制御信号を前記第1のスイッチの制御端子に送る第2のインバータ制御信号伝送用スイッチ(81)と
を備えていることを特徴とする無停電電源装置に係わるものである。
なお、本願において、負荷に対する電力供給が無視できるほど短い時間(例えば、交流電源電圧VACの1/4サイクル以下)停止した場合も無停電とみなす。
また、請求項3に示すように、更に、前記第1の電源端子と前記負荷の一端との間に接続されたバイパススイッチと、前記第3及び第4のスイッチの相互接続点と前記負荷の一端との間に接続された出力スイッチと、前記交流電源電圧を前記バイパススイッチを介して前記負荷に供給する時に前記バイパススイッチをオン状態に制御し、前記入力スイッチ及び前記出力スイッチをオフ状態に制御する制御手段とを備えていることが望ましい。
(1)第1及び第2の電源端子から交流電源電圧が正常に供給されている時に、交流電源電圧を直流電圧に変換するように第1及び第2のスイッチを制御し且つ直流電圧を交流電圧に変換するように第3及び第4のスイッチを制御(ハーフブリッジ型インバータ制御)し、第1及び第2の電源端子間の交流電源電圧が異常(例えば周波数異常又は振幅異常)の時に、入力スイッチをオフ状態に制御し且つ蓄電池の直流電圧を交流電圧に変換するように第1、第2、第3及び第4のスイッチを制御(フルブリッジ型インバータ制御)する。これにより、交流電源電圧が正常の時に、交流電源電圧にハーフブリッジ型インバータの出力電圧を重畳する方式であるにもかかわらず、交流電源電圧の周波数異常時に負荷に対して所望周波数及び所望振幅の電圧を供給することができ、信頼性の高い無停電電源装置を提供することができる。
(2)交流電源電圧が正常の時には、交流電源電圧にハーフブリッジ型インバータの出力電圧を重畳して所望の負荷電圧を得る。ハーフブリッジ型インバータは交流電源電圧の変動分(例えば±1V)のみを供給すればよい。
(3)交流電源電圧が正常の時には、第1及び第2のスイッチに負荷電流が流れず、入力電流の歪みを補償する電流と直流電圧を一定に維持するだけの電流が流れる。従って、第1及び第2のスイッチにおける電力損失が低減される。
1. 負荷2が交流電源1の一端とインバータの出力端子3との間に接続されている。
2. 交流電源1の電圧変動をインバータで補償する。
3.インバータを介して負荷2に交流電力を供給することができない時に、交流電源1から負荷2に交流電力を直接に供給するためのバイパススイッチ16が設けられている。
4.交流電源1が異常(周波数又は振幅異常)の時に交流電源1をコンバータ及び負荷2から切り離すための入力スイッチ13が設けられ、第1〜第4のスイッチQ1〜Q4がフルブリッジ型インバータ駆動される。
5.インバータを負荷2から切り離すための出力スイッチ15が設けられている。
出力スイッチ15は第3及び第4のスイッチQ3,Q4の相互接続点P3と交流出力端子3と間に接続されており、インバータの故障又は点検時にオフに制御され、インバータを負荷2から切り離す。
本実施例の入力スイッチ13及び出力スイッチ15は電気的に制御可能な機械的開閉器で構成されている。しかし、入力スイッチ13及び出力スイッチ15を電気的に制御可能な半導体スイッチで構成することもできる。
1.第1及び第2の電源端子1a,1bから交流電源電圧VACが正常に供給されている時(正常モード時)には、交流電源電圧VACを直流電圧に変換するように第1及び第2のスイッチQ1,Q2を制御するための第1及び第2のコンバータ制御信号を形成し、これを第1及び第2のスイッチQ1,Q2のゲートに供給する。また、直流電圧を交流電圧に変換するための第1及び第2のインバータ制御信号を形成し、これを第3及び第4のスイッチQ3,Q4のゲートに供給する。また、入力スイッチ13及び出力スイッチ15をオン状態に制御し、バイパススイッチ16をオフ状態に制御する。
2.もし、第1及び第2の電源端子1a,1b間の交流電源電圧VACが異常の時には、入力スイッチ13及びバイパススイッチ16をオフ状態に制御し且つフルブリッジ型インバータ動作で蓄電池12の直流電圧を交流電圧に変換するように第1、第2、第3及び第4のスイッチQ1、Q2,Q3,Q4を制御する。
3.バイパス給電時に、入力スイッチ13及び出力スイッチ15をオフ状態に制御し、バイパススイッチ16をオン状態に制御する。
交流電源1から正方向電圧が発生している期間において、第1のFETスイッチS1がオフ制御、第2のFETスイッチS2 が オン制御されている時には、第2のコンデンサ8と交流電源1と第1のリアクトル6と第2のFETスイッチS2とからなる第1の閉回路が形成され、第2のコンデンサ8の電圧と交流電源電圧VACとの和が第1のリアクトル6に加わり、この第1のリアクトル6にエネルギーが蓄積される。次に、交流電源1から正方向電圧が発生している期間において、第1のFETスイッチS1がオン制御され、第2のFETスイッチS2 がオフ制御されると、交流電源1と第1のリアクトル6と第1のダイオードD1又は第1のFETスイッチS1と第1のコンデンサ7とから成る第2の閉回路で第1のコンデンサ7が交流電源電圧VACより高い値に充電される。
交流電源電圧VACが例えば100V(実効値)であるとすれば、正側直流導体4と負側直流導体5との間の直流電圧VPNは、例えば、交流電源電圧VACのピーク値(141V)の2倍に相当する282Vに制御される。
第1及び第2のFETスイッチS1、S2は、図4の交流―直流変換制御回路61によってオンオフ制御されるために、直流電圧VPNは一定値に制御され、且つ交流入力電流の波形は正弦波に近似するように制御される。これにより、インバータ回路の直流電源電圧としての直流電圧VPNが安定化され、且つ力率改善が達成される。なお、第1及び第2のスイッチQ1,Q2には入力電流の歪みを補償するための電流(正弦波にするための電流)と直流電圧VPNを一定値に維持する電流が流れるのみであり、負荷2のための有効電流は流れない。従って、第1及び第2のスイッチQ1,Q2における電力損失は図2の従来回路の第1及び第2のスイッチQa,Qb、第1及び第2のダイオードDa、Dbの電力損失よりも小さい。
VAB=VAC―VBC
もし、図7(A)に示すように正弦波の交流電源電圧VACの最大振幅がその定格電圧Vnよりも電圧ΔVだけ低い時には、図7(B)に示すように図7(A)の交流電源電圧VACに対して逆相であり且つΔVの最大振幅を有する正弦波のインバータ出力電圧VBCが形成され、これが交流電源電圧VACに重畳され、負荷電圧VABの最大振幅は図7(C)に示すように定格電圧Vnになる。
逆に、図8(A)に示すように正弦波の交流電源電圧VACの最大振幅がその定格電圧VnよりもΔVだけ高い時には、図8(B)に示すように図8(A)の交流電源電圧VACに対して同相であり且つΔVの最大振幅を有する正弦波のインバータ出力電圧VBCが形成され、これが交流電源電圧VACに重畳され、負荷電圧VABの最大振幅は図8(C)に示すように定格電圧Vnになる。即ち、交流電源電圧VACが定格電圧Vnよりも低い時には、交流電源電圧VACから逆相のインバータ出力電圧―VBCが減算され、VAB=VAC−(−VBC)=VAC+VBCの式に従って、交流電源電圧VACよりも高い所望の負荷電圧VABが得られる。また、交流電源電圧VACが定格電圧Vnよりも高い時には、交流電源電圧VACから同相のインバータ出力電圧VBCが減算され、VAB=VAC−VBCの式に従って、交流電源電圧VACよりも低い所望の負荷電圧VABが得られる。これにより、交流電源電圧VACの変動にかかわらず、負荷電圧VABを所望の一定値(例えば100V)に保つことができる。交流電源電圧VACが所望の負荷電圧VABと同一の時は、インバータ出力電圧VBCが零になるように第3及び第4のスイッチQ3,Q4を制御する。なお、交流電源電圧VACに波形歪みがある場合には、たとえ実効値又はピ−ク値において交流電源電圧VACが所望負荷電圧VABと同一であっても、正弦波の負荷電圧VABが得られるように第3及び第4のスイッチQ3,Q4が制御される。
(1)第1及び第2の電源端子1a,1bから交流電源電圧が正常に供給されている時に、交流電源電圧を直流電圧に変換するように第1及び第2のスイッチQ1,Q2を制御し且つ直流電圧を交流電圧に変換するように第3及び第4のスイッチQ3,Q4を制御(ハーフブリッジ型インバータ制御)し、第1及び第2の電源端子1a,1b間の交流電源電圧VACが異常(例えば周波数異常又は振幅異常)の時に、入力スイッチ13をオフ状態に制御し且つ蓄電池12の直流電圧を交流電圧に変換するように第1、第2、第3及び第4のスイッチQ1,Q2、Q3,Q4を制御(フルブリッジ型インバータ制御)する。これにより、交流電源電圧の異常時に負荷2に所望周波数及び所望振幅の電圧を供給することができ、信頼性の高い無停電電源装置を提供することができる。
(2)交流電源電圧VACが正常の時には、交流電源電圧VACにハーフブリッジ型インバータの電圧を重畳して所望の負荷電圧を得る。ハーフブリッジ型インバータは交流電源電圧の変動分(例えば±1V)のみを供給すればよい。
(3)交流電源電圧VACが正常の時には、第1及び第2のスイッチQ1,Q2に負荷電流が流れず、蓄電池12の充電電流と入力電流の歪みを補償する電流と直流電圧を一定に維持するだけの電流が流れるのみである。従って、第1及び第2のスイッチQ1,Q2における電力損失が低減される。即ち、コンバータの電力損失が図2の従来回路に比べて低減される。
(4)負荷2に対してインバータを介して交流電圧を供給することができない時であっても、バイパススイッチ16を介して負荷2に交流電圧を供給することができる。これにより、負荷2に対する電力供給の停止を防ぐことができる。
(1)第1〜第4のスイッチQ1〜Q4を、図1のIGBTから成る第1〜第4のスイッチQ11〜Q14と第1〜第4のダイオードD11〜D14との組み合わせと同様なものに置き換えることができる。また、第1〜第4のスイッチQ1〜Q4を、図2の接合型トランジスタから成る第1〜第4のスイッチQa〜Qdと第1〜第4のダイオードDa〜Ddとの組み合わせと同様なものに置き換えることができる。
(2)図5に示すハープブリッジ・フルブリッジ切換制御回路64を、電源電圧振幅異常検出回路67と周波数異常検出回路68とのいずれか一方のみで構成することができる。また、OR回路69をAND回路に置き換え、電源電圧振幅異常検出信号と周波数異常検出信号との両方が同時に得られた時にハープブリッジ・フルブリッジ切換信号をライン20,52に送出することができる。
(3)図5に示すバイパス給電切換制御回路65を、5個の異常検出回路71〜75から選択された1つ又は複数と、OR回路77とのみで構成することができる。また、図5に示すバイパス給電切換制御回路65を、バイパス給電指令発生回路76のみで構成することができる。また、バイパス給電切換制御回路65を、5個の異常検出回路71〜75の全部又は選択された複数の出力段にAND回路を設け、AND回路によって複数の異常検出が同時に得られたか否かを判定し、複数の異常検出が同時に得られた時にバイパス給電切換制御信号を出力させることができる。
(4)交流電源1と第1及び第2のスイッチQ1、Q2との間のライン、又は交流電源1と第1及び第2のコンデンサ7,8との間のラインがインダクタンスを有する場合には第1のリアクトル6を省くことができる。また、第3及び第4のスイッチQ3、Q4から成るインバータの出力ラインがインダクタンスを有する場合、又は負荷2がインダクタンスを有する場合には、第2のリアクトル9を省くことができる。
15 出力スイッチ
16 バイパススイッチ
Q1〜Q4 第1〜第4のスイッチ
Claims (3)
- 交流電源電圧を供給するための第1及び第2の電源端子と、
第1及び第2のコンデンサの直列回路と、
前記第1及び第2のコンデンサの直列回路に対して並列に接続された第1及び第2のスイッチの直列回路と、
前記第1及び第2のコンデンサの直列回路に対して並列に接続された第3及び第4のスイッチの直列回路と、
前記第1及び第2のコンデンサの直列回路に対して並列に接続された蓄電池と、
前記第1及び第2のスイッチの相互接続点と前記第2の電源端子との間に接続されたリアクトルと、
前記第3及び第4のスイッチの相互接続点と前記第2の電源端子との間に前記リアクトルを介することなく接続された負荷と、
前記第1の電源端子と前記第1及び第2のコンデンサの相互接続点との間に接続された入力スイッチと、
前記第1及び第2の電源端子に交流電源電圧が正常に供給されている時に、前記入力スイッチをオン状態に制御し且つハーフブリッジ型コンバータ動作で前記交流電源電圧を直流電圧に変換するように前記第1及び第2のスイッチを制御し且つハーフブリッジ型インバータ動作で前記第1及び第2のコンデンサの直流電圧を前記交流電源電圧に同期して交流電圧に変換するように前記第3及び第4のスイッチを制御し、前記交流電源電圧が異常の時に前記入力スイッチをオフ状態に制御し且つフルブリッジ型インバータ動作で前記蓄電池の直流電圧を前記負荷が要求する交流電圧に変換するように前記第1、第2、第3及び第4のスイッチを制御する制御回路と
を備え、前記制御回路は、
前記交流電源電圧を直流電圧に変換する時に前記第1及び第2のスイッチをハーフブリッジ型コンバータ動作させるための第1及び第2のコンバータ制御信号を形成する交流―直流変換制御回路と、
前記交流―直流変換制御回路から得られた第1及び第2のコンバータ制御信号を前記第1及び第2のスイッチに送る信号伝送路と、
前記第1及び第2のコンデンサの直流電圧を交流電圧に変換する時に前記第3及び第4のスイッチをインバータ動作させるための第1及び第2のインバータ制御信号を形成する直流―交流変換制御回路と、
前記直流―交流変換制御回路から得られた第1及び第2のインバータ制御信号を前記第3及び第4のスイッチの制御端子に送る信号伝送路と、
前記交流電源電圧の異常を検出する異常検出手段を含み、前記異常検出手段で異常が検出されていない時に前記第3及び第4のスイッチによるハーフブリッジ型インバータモードを示し、前記異常検出手段で異常が検出された時に前記第1、第2、第3及び第4のスイッチによるフルブリッジ型インバータモードを示すモード切換制御信号を発生するモード切換制御回路と、
前記フルブリッジ型インバータモードを示す前記モード切換制御信号に応答してオン状態になり、前記直流―交流変換制御回路から得られた第1のインバータ制御信号を前記第2のスイッチの制御端子に送る第1のインバータ制御信号伝送用スイッチ(80)と、
前記フルブリッジ型インバータモードを示す前記モード切換制御信号に応答してオン状態になり、前記直流―交流変換制御回路から得られた第2のインバータ制御信号を前記第1のスイッチの制御端子に送る第2のインバータ制御信号伝送用スイッチ(81)と
を備えていることを特徴とする無停電電源装置。 - 前記直流―交流変換制御回路は、ハーフブリッジ型インバータ動作時に、前記交流電源電圧に対して同相又は逆相の微小のインバータ出力電圧を発生させるように前記第3及び第4のスイッチを制御するための第1及び第2のインバータ制御信号を形成するものであることを特徴とする請求項1記載の無停電電源装置。
- 更に、前記第1の電源端子と前記負荷の一端との間に接続されたバイパススイッチと、
前記第3及び第4のスイッチの相互接続点と前記負荷の一端との間に接続された出力スイッチと、
前記交流電源電圧を前記バイパススイッチを介して前記負荷に供給する時に前記バイパススイッチをオン状態に制御し、前記入力スイッチ及び前記出力スイッチをオフ状態に制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする請求項1又は2記載の無停電電源装置。
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