JP5461529B2 - 無停電電源システム - Google Patents

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Description

この発明は無停電電源システムに関し、特に、並列接続された複数の無停電電源装置を備えた無停電電源システムに関する。
従来より、コンピュータシステム等の重要負荷に交流電力を安定的に供給するための電源装置として、無停電電源装置が広く用いられている。無停電電源装置は、通常動作時は、商用交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をバッテリに供給するとともに、その直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷に供給し、停電時は、バッテリの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷に供給する。したがって、停電時でも、負荷に商用周波数の交流電力を供給することができる。
また、並列接続された複数の無停電電源装置を備えた無停電電源システムもある。この無停電電源システムでは、1台の無停電電源装置が故障しても残りの無停電電源装置によって負荷を駆動することができる(たとえば、特許文献1参照)。
特開2008−182806号公報
しかし、従来の無停電電源システムでは、各無停電電源装置に当該無停電電源装置を操作および制御するための操作部および制御部を設けるとともに、全無停電電源装置を操作および制御するための操作部および制御部を別途設けていたので、システムが大型化し、コスト高になると言う問題があった。
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で低コストの無停電電源システムを提供することである。
この発明に係る無停電電源システムは、並列接続されたN台(Nは2以上の整数である)の無停電電源装置を備えたものである。各無停電電源装置は、それぞれが商用交流電源からの第1の交流電力を受ける第1および第2の入力端子と、負荷に接続される出力端子と、第1の入力端子と出力端子との間に接続された第1のスイッチと、第2の入力端子を介して商用交流電源から供給される第1の交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を第2の交流電力に変換するインバータと、第1の交流電力が供給されている場合はコンバータから電力貯蔵装置に直流電力を供給し、第1の交流電力の供給が停止されている場合は電力貯蔵装置からインバータに直流電力を供給するチョッパと、インバータの出力ノードと出力端子との間に接続された第2のスイッチと、第1の交流電力を負荷に供給する第1の給電モードと、第2の交流電力を負荷に供給する第2の給電モードとのうちのいずれかの給電モードを選択するための操作部と、操作部の選択結果に基づいて第1および第2のスイッチを制御する制御部とを含む。N台の無停電電源装置のN個の制御部は、通信回線を介して互いに結合されて1つの総合制御部を構成する。総合制御部は、N台の無停電電源装置のN個の操作部のうちのいずれか1つの操作部によって第1の給電モードが選択された場合はN台の無停電電源装置のN個の第1のスイッチを導通させ、N個の操作部のうちのいずれか1つの操作部によって第2の給電モードが選択された場合はN台の無停電電源装置のN個の第2のスイッチを導通させる。
好ましくは、総合制御部は、第1の給電モードから第2の給電モードへの切換時は、N組の第1および第2のスイッチの両方を予め定められた時間だけ導通させた後にN個の第1のスイッチを非導通にし、第2の給電モードから第1の給電モードへの切換時は、N組の第1および第2のスイッチの両方を予め定められた時間だけ導通させた後にN個の第2のスイッチを非導通にする。
また好ましくは、通信回線は、それぞれN個の制御部の(N−1)個の間に設けられた(N−1)組のM本(Mは自然数である)の通信ケーブルを含み、各2個の制御部は、M本の通信ケーブルで互いに接続されている。
また好ましくは、通信回線は、N個の制御部をループ状に接続するN組のM本(Mは自然数である)の通信ケーブルを含み、各2個の制御部は、M本の通信ケーブルで互いに接続されている。
この発明に係る無停電電源システムでは、N台の無停電電源装置のN個の制御部は通信回線を介して互いに結合されて1つの総合制御部を構成する。この総合制御部は、N台の無停電電源装置のN個の操作部のうちのいずれか1つの操作部によって第1の給電モードが選択された場合はN台の無停電電源装置のN個の第1のスイッチを導通させ、第2の給電モードが選択された場合はN台の無停電電源装置のN個の第2のスイッチを導通させる。したがって、全無停電電源装置を操作および制御するための操作部および制御部を別途設ける必要がないので、システムの小型化および低コスト化を図ることができる。
この発明の一実施の形態による無停電電源システムの構成を示す回路ブロック図である。 図1に示した無停電電源システムの制御に関連する部分を示すブロック図である。 図2に示した操作部を示す図である。 図1に示した無停電電源システムのバイパス給電モードを示す回路ブロック図である。 図1に示した無停電電源システムの給電モードの切換期間の状態を示す回路ブロック図である。 図1に示した無停電電源システムのインバータ給電モードを示す回路ブロック図である。 実施の形態の変更例を示すブロック図である。 実施の形態の他の変更例を示すブロック図である。 実施の形態のさらに他の変更例を示すブロック図である。
図1に示すように、この無停電電源システムは、入力端子T1,T2、ブレーカB1〜B14、N台(図では3台)の無停電電源装置U1〜U3、およびN個(図では3個)のバッテリBA1〜BA3を備える。ただし、Nは2以上の整数である。入力端子T1,T2の各々は、商用交流電源1からの交流電力を受ける。
ブレーカB1,B3,B5の一方端子はともに入力端子T1に接続され、それらの他方端子はそれぞれ無停電電源装置U1〜U3の入力端子T4に接続される。ブレーカB2,B4,B6の一方端子はともに入力端子T2に接続され、それらの他方端子はそれぞれ無停電電源装置U1〜U3の入力端子T5に接続される。
ブレーカB7〜B9の一方端子はそれぞれバッテリBA1〜BA3の正電極に接続され、それらの他方端子はそれぞれ無停電電源装置U1〜U3のバッテリ端子T6に接続される。ブレーカB10〜B12の一方端子はそれぞれ無停電電源装置U1〜U3の出力端子T7に接続され、それらの他方端子はブレーカB13の一方端子に共通接続される。ブレーカB13の他方端子は、出力端子T3に接続される。ブレーカB14は、入力端子T1と出力端子T3との間に接続される。出力端子T3には、負荷2が接続される。
無停電電源システムの通常運転時は、ブレーカB1〜B13がオンされるとともにブレーカB14がオフされ、無停電電源装置U1〜U3から負荷2に商用周波数の交流電力が供給される。
また、この無停電電源システムでは、(N−1)台の無停電電源装置で負荷2を駆動することが可能となっている。したがって、図1では、3台の無停電電源装置U1〜U3のうちの1台の無停電電源装置(たとえばU1)が故障しても2台の無停電電源装置(この場合はU2,U3)で負荷2を駆動することが可能である。故障した無停電電源装置U1をメンテナンスする場合は、ブレーカB1,B2,B7,B10をオフすることにより、2台の無停電電源装置U2,U3から負荷2に商用周波数の交流電力を供給しながら、無停電電源装置U1を取り外してメンテナンスすることができる。
また、無停電電源システム全体のメンテナンス時は、ブレーカB1〜B13をオフするとともにブレーカB14をオンすることにより、商用交流電源1からの交流電力をブレーカB14を介して負荷2に供給しながら、無停電電源装置U1〜U3を取り外してメンテナンスすることができる。
無停電電源装置U1は、上記入力端子T4,T5,バッテリ端子T6,および出力端子T7の他、コンバータ3、インバータ4、チョッパ5、STS6、および電磁スイッチS1,S2を含む。コンバータ3は、商用交流電源1から入力端子T5を介して供給される交流電力を直流電力に変換する。コンバータ3で生成された直流電力は、インバータ4およびチョッパ5に供給される。
インバータ4は、直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。チョッパ5は、通常動作時は、コンバータ3で生成された直流電力をバッテリ端子T6およびブレーカB7を介してバッテリBA1の正電極に供給し、商用交流電源1の停電時は、バッテリBA1の直流電力をインバータ4に供給する。スイッチS2の一方端子はインバータ4の出力電力を受け、その他方端子は出力端子T7に接続される。STS6は入力端子T4と出力端子T7との間に接続され、スイッチS1はSTS6に並列接続される。
無停電電源装置U1は、商用交流電源1から入力端子T4を介して供給された交流電力をスイッチS1を介して出力端子T7に出力するバイパス給電モードと、インバータ4で生成された交流電力をスイッチS2を介して出力端子T7に出力するインバータ給電モードとを有する。バイパス給電モードではスイッチS1がオンされ、インバータ給電モードではスイッチS2がオンされ、バイパス給電モードとインバータ給電モードとの切換期間ではスイッチS1,S2の両方がオンされる。STS6は、インバータ給電モードでの給電中にインバータ4が故障した場合にオンし、商用交流電源1からの交流電力を出力端子T7に瞬時に与える。無停電電源装置U2,U3も、無停電電源装置U1と同じ構成である。
図2は、無停電電源システムの制御に関連する部分を示すブロック図である。無停電電源装置U1〜U3の各々は、操作部10、制御部11、電源回路部12、入力端子T4,T5,バッテリ端子T6,出力端子T7、および通信端子T8,T9を含む。電源回路部12は、図1で示したコンバータ3、インバータ4、チョッパ5、STS6、およびスイッチS1,S2を含み、端子T4〜T7に接続されている。
無停電電源装置U1〜U3の操作部10は、それぞれ無停電電源装置U1〜U3を操作するために使用される。また、無停電電源装置U1〜U3の操作部10の各々は、無停電電源システム全体を操作するためにも使用される。操作部10は、たとえば、タッチパネルで構成される。操作部10の画面には、図3(a)に示すように、バイパス給電モードを選択するためのアイコン10aと、インバータ給電モードを選択するためのアイコン10bとが表示される。また、同じ画面には、無停電電源システムの現在の状態(給電モードの種類)を示す文字と、給電モードの切換が可能か否かを示す文字も表示される。
バイパス給電モード時において、切換可能時にアイコン10bにタッチすると、バイパス給電モードからインバータ給電モードへの切換を指示するインバータ給電モード指令信号が操作部10から制御部11に出力される。また、インバータ給電モード時において、切換可能時にアイコン10aにタッチすると、インバータ給電モードからバイパス給電モードへの切換を指示するバイパス給電モード指令信号が操作部10から制御部11に出力される。
なお、同じ画面には、他のページを選択するためのアイコン(図示せず)も表示される。他のページには、図2(b)に示すように、他の無停電電源装置の状態(運転中か否か、設置されているか否か)などが表示される。また、さらに他のページには、対応の無停電電源装置のみを操作するためのアイコンも表示される。
図2に戻って、各制御部11は、対応の操作部10からの信号に従って対応の電源回路部12、すなわちコンバータ3、インバータ4、チョッパ5、STS6、およびスイッチS1,S2を制御する。また、各制御部11は、通信端子T8,T9に接続される。無停電電源装置U1の通信端子T9と無停電電源装置U2の通信端子T8とは通信ケーブルC1によって接続され、無停電電源装置U2の通信端子T9と無停電電源装置U3の通信端子T8とは通信ケーブルC2によって接続され、無停電電源装置U1〜U3の制御部11は1つの総合制御部13を構成している。
総合制御部13は、3つの操作部10のうちの任意の1つの操作部10からバイパス給電モード指令信号が与えられた場合は、3つの電源回路部12を制御してバイパス給電モードを実行する。また、総合制御部13は、3つの操作部10のうちの任意の1つの操作部10からインバータ給電モード指令信号が与えられた場合は、3つの電源回路部12を制御してインバータ給電モードを実行する。
具体的には、無停電電源装置U1の操作部10から出力されたバイパス給電モード指令信号またはインバータ給電モード指令信号は、無停電電源装置U1の制御部11に与えられるとともに、通信ケーブルC1,C2を介して無停電電源装置U2,U3の制御部11に与えられる。各制御部11は、バイパス給電モード指令信号またはインバータ給電モード指令信号に応じて、対応の無停電電源装置のスイッチS1,S2を制御する。
また、無停電電源装置U2の操作部10から出力されたバイパス給電モード指令信号またはインバータ給電モード指令信号は、無停電電源装置U2の制御部11に与えられるとともに、通信ケーブルC1,C2を介して無停電電源装置U1,U3の制御部11に与えられる。各制御部11は、バイパス給電モード指令信号またはインバータ給電モード指令信号に応じて、対応の無停電電源装置のスイッチS1,S2を制御する。
また、無停電電源装置U3の操作部10から出力されたバイパス給電モード指令信号またはインバータ給電モード指令信号は、無停電電源装置U3の制御部11に与えられるとともに、通信ケーブルC1,C2を介して無停電電源装置U1,U2の制御部11に与えられる。各制御部11は、バイパス給電モード指令信号またはインバータ給電モード指令信号に応じて、対応の無停電電源装置のスイッチS1,S2を制御する。
図4は、バイパス給電モードにおける電流経路を示す回路ブロック図である。図4において、バイパス給電モードでは、ブレーカB1〜B13がオンされ、ブレーカB14がオフされ、スイッチS1がオンされ、スイッチS2がオフされる。商用交流電源1から入力端子T1、ブレーカB1,B3,B5、入力端子T4、スイッチS1、出力端子T7、ブレーカB10〜B13、および出力端子T3を介して負荷2に交流電流が供給される。また、商用交流電源1から入力端子T2、ブレーカB2,B4,B6、および入力端子T5を介してコンバータ3に交流電力が供給され、コンバータ3からインバータ4に直流電力が供給され、インバータ4は商用周波数の交流電力を生成している。
また、バイパス給電モードでは、図3(a)に示したように、操作部10の画面に「バイパス給電」のアイコン10aと「インバータ給電」のアイコン10bとが表示されている。3つの操作部10のうちの任意の1つの操作部10の「インバータ給電」のアイコン10bにタッチすると、操作部10から総合制御部13にインバータ給電モード指令信号が与えられる。
総合制御部13は、図5に示すように、インバータ給電モード指令信号に応答して所定時間だけスイッチS1,S2の両方をオンさせる。スイッチS1,S2の両方がオンしている期間は、商用交流電源1からの交流電力とインバータ4で生成された交流電力との両方が負荷2に供給される。次に、総合制御部13は、図6に示すように、スイッチS1をオフさせる。これにより、インバータ4からの交流電力がスイッチS2、ブレーカB10〜B13、および出力端子T3を介して負荷2に供給され、商用交流電源1から入力端子T1,ブレーカB1,B3,B5および入力端子T4を介して供給される交流電力はスイッチS1で遮断される。
また、図6で示したインバータ給電モードからバイパス給電モードに切り換える場合は、任意の1つの操作部10で現在の状態が「インバータ給電」であり、切換が「可能」でえあることを確認した上で、「バイパス給電モード」のアイコン10aにタッチする。これにより、その操作部10から総合制御部13にバイパス給電モード指令信号が与えられる。
総合制御部13は、図5に示すように、バイパス給電モード指令信号に応答して所定時間だけスイッチS1,S2の両方をオンさせる。スイッチS1,S2の両方がオンしている期間は、商用交流電源1からの交流電力とインバータ4からの交流電力との両方が負荷2に供給される。次に、総合制御部13は、図4に示すように、スイッチS2をオフさせる。これにより、インバータ4からの交流電力はスイッチS2で遮断され、商用交流電源1から入力端子T1,ブレーカB1,B3,B5、入力端子T4、スイッチS1、ブレーカB10〜B13、および出力端子T3を介して交流電力が負荷2に供給される。
なお、バイパス給電モードからインバータ給電モードへの切換は無停電電源システムの立ち上げ時に行なわれ、インバータ給電モードからバイパス給電モードへの切換は無停電電源システムの立ち下げ時に行なわれる。
この実施の形態では、3台の無停電電源装置U1〜U3の制御部11は通信ケーブルC1,C2を介して互いに結合されて1つの総合制御部13を構成する。この総合制御部13は、任意の1つの操作部10によってバイス給電モードが選択された場合は3つのスイッチS1を導通させ、インバータ給電モードが選択された場合は3つのスイッチS2を導通させる。したがって、全無停電電源装置U1〜U3を操作および制御するための操作部および制御部を別途設ける必要がないので、システムの小型化および低コスト化を図ることができる。
図7は、実施の形態の変更例を示すブロック図であって、図2と対比される図である。この変更例では、無停電電源装置U1の通信端子T9と無停電電源装置U2の通信端子T8とが通信ケーブルC1で接続され、無停電電源装置U2の通信端子T9と無停電電源装置Uの通信端子T8とが通信ケーブルC2で接続され、無停電電源装置U3の通信端子T9と無停電電源装置U1の通信端子T8とが通信ケーブルC3で接続される。3つの無停電電源装置U1〜U3の3つの制御部11は、3本のケーブルC1〜C3でループ状に接続されて1つの総合制御部13を構成する。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。
図8は、実施の形態の他の変更例を示すブロック図であって、図2と対比される図である。この変更例では、無停電電源装置U1〜U3の各々は、4つの通信端子T8a,T8b,T9a,T9bを含み、各制御部11は対応の4つの通信端子T8a,T8b,T9a,T9bに接続されている。無停電電源装置U1の通信端子T9a,T9bと無停電電源装置U2の通信端子T8a,T8bとが通信ケーブルC1a,C1bで接続され、無停電電源装置U2の通信端子T9a,T9bと無停電電源装置U3の通信端子T8a,T8bとが通信ケーブルC2a,C2bで接続される。3つの無停電電源装置U1〜U3の3つの制御部11は、2組の2本のケーブルC1a,C1b;C2a,C2bで接続されて1つの総合制御部13を構成する。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。なお、3つの無停電電源装置U1〜U3の3つの制御部11を、2組の3本以上のケーブルで接続してもよい。
図9は、実施の形態のさらに他の変更例を示すブロック図であって、図8と対比される図である。この変更例では、3つの無停電電源装置U1〜U3の3つの制御部11は、3組の2本のケーブルC1a,C1b;C2a,C2b;C3a,C3bでループ状に接続されて1つの総合制御部13を構成する。この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。なお、3つの無停電電源装置U1〜U3の3つの制御部11を、3組の3本以上のケーブルでループ状に接続してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 商用交流電源、2 負荷、3 コンバータ、4 インバータ、5 チョッパ、6 STS(Static Transfer Switch)、10 操作部、10a,10b アイコン、11 制御部、12 電源回路部、13 総合制御部、T 端子、B ブレーカ、U 無停電電源装置、BA バッテリ、S スイッチ、C 通信ケーブル。

Claims (4)

  1. 並列接続されたN台(Nは2以上の整数である)の無停電電源装置を備えた無停電電源システムであって、
    各無停電電源装置は、
    それぞれが商用交流電源からの第1の交流電力を受ける第1および第2の入力端子と
    荷に接続される出力端子と
    前記第1の入力端子と前記出力端子との間に接続された第1のスイッチと
    前記第2の入力端子を介して前記商用交流電源から供給される前記第1の交流電力を直流電力に変換するコンバータと
    前記直流電力を第2の交流電力に変換するインバータと
    前記第1の交流電力が供給されている場合は前記コンバータから電力貯蔵装置に直流電力を供給し、前記第1の交流電力の供給が停止されている場合は前記電力貯蔵装置から前記インバータに直流電力を供給するチョッパと
    前記インバータの出力ノードと前記出力端子との間に接続された第2のスイッチと
    前記第1の交流電力を前記負荷に供給する第1の給電モードと、前記第2の交流電力を前記負荷に供給する第2の給電モードとのうちのいずれかの給電モードを選択するための操作部と
    前記操作部の選択結果に基づいて前記第1および第2のスイッチを制御する制御部とを含み、
    前記N台の無停電電源装置のN個の前記制御部は、通信回線を介して互いに結合されて1つの総合制御部を構成し、
    前記総合制御部は、前記N台の無停電電源装置のN個の前記操作部のうちのいずれか1つの前記操作部によって前記第1の給電モードが選択された場合は前記N台の無停電電源装置のN個の前記第1のスイッチを導通させ、N個の前記操作部のうちのいずれか1つの前記操作部によって前記第2の給電モードが選択された場合は前記N台の無停電電源装置のN個の前記第2のスイッチを導通させる、無停電電源システム。
  2. 前記総合制御部は、前記第1の給電モードから前記第2の給電モードへの切換時は、N組の前記第1および第2のスイッチの両方を予め定められた時間だけ導通させた後にN個の前記第1のスイッチを非導通にし、前記第2の給電モードから前記第1の給電モードへの切換時は、N組の前記第1および第2のスイッチの両方を予め定められた時間だけ導通させた後にN個の前記第2のスイッチを非導通にする、請求項1に記載の無停電電源システム
  3. 前記通信回線は、それぞれ前記N個の前記制御部の(N−1)個の間に設けられた(N−1)組のM本(Mは自然数である)の通信ケーブルを含み、
    各2個の前記制御部は、M本の通信ケーブルで互いに接続されている、請求項1または請求項2に記載の無停電電源システム
  4. 前記通信回線は、前記N個の前記制御部をループ状に接続するN組のM本(Mは自然数である)の通信ケーブルを含み、
    各2個の前記制御部は、M本の通信ケーブルで互いに接続されている、請求項1または請求項2に記載の無停電電源システム
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