JP5771116B2 - Uninterruptible power system - Google Patents
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Description
本発明は無停電電源装置に係り、特に、構成を簡易化することのできる無停電電源装置に関する。 The present invention relates to an uninterruptible power supply, and more particularly to an uninterruptible power supply that can simplify the configuration.
現代社会においてはITシステムがインフラとして重要となっており、商用電源の喪失によるITシステムの停止は社会活動の継続性に大きな影響を及ぼす。 In modern society, the IT system is important as an infrastructure, and the suspension of the IT system due to the loss of commercial power has a great impact on the continuity of social activities.
そこで、商用電源の喪失に対する備えとして、ITシステムの中枢であるサーバに無停電電源装置を設置する場合が増えてきており、すでに多くの無停電電源装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, in preparation for the loss of commercial power, the number of uninterruptible power supply devices installed in servers that are the center of the IT system is increasing, and many uninterruptible power supply devices have already been proposed (for example, Patent Document 1). reference).
無停電電源装置の大部分は、通常は負荷に商用電源から電力を供給し、停電時には2次電池に蓄電されている電力をインバータにより交流に変換して負荷へ電力を供給するように構成されている。 Most uninterruptible power supply units are usually configured to supply power from a commercial power source to the load, and to convert the power stored in the secondary battery into alternating current by an inverter and supply the load to the load at the time of a power failure ing.
しかしながら、従来の無停電電源装置は商用電力とインバータから供給される電力との切り換えをスイッチにより行うものが多く、スイッチの高速化、同期切り換え等が必要となり、無停電電源装置の構成が複雑化することは不可避であった。 However, many conventional uninterruptible power supplies use a switch to switch between commercial power and power supplied from an inverter, which requires higher switch speed, synchronous switching, etc., making the configuration of the uninterruptible power supply more complicated It was inevitable to do.
さらに、複数の無停電電源装置の並列接続、自家用発電設備との協調運転等も困難を伴う場合が多かった。 Furthermore, parallel connection of a plurality of uninterruptible power supply units, cooperative operation with private power generation facilities, and the like often involve difficulties.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、構成を簡易化できるとともに、他の電源との併用を容易に実現可能な無停電電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an uninterruptible power supply device that can simplify the configuration and can easily be used in combination with another power source.
本発明に係る無停電電源装置は、第1の2次電池と、前記第1の2次電池と直列に接続される第2の2次電池と、前記第1の2次電池および前記第2の2次電池を商用交流電力により充電する充電器と、前記第1の2次電池および前記第2の2次電池により供給される直流電力から前記商用交流電力に同期した交流電力を生成するハーフブリッジ型インバータと、前記商用交流電力および前記ハーフブリッジ型インバータにより生成された交流電力をカップリングコンデンサにより合成する交流電力合成部と、を含む構成を有している。 The uninterruptible power supply according to the present invention includes a first secondary battery, a second secondary battery connected in series with the first secondary battery, the first secondary battery, and the second secondary battery. A charger for charging the secondary battery with commercial AC power, and a half for generating AC power synchronized with the commercial AC power from the DC power supplied by the first secondary battery and the second secondary battery A bridge type inverter; and an AC power combining unit that combines the commercial AC power and the AC power generated by the half bridge type inverter with a coupling capacitor.
本発明に係る無停電電源装置は、
前記充電回路が、1つの1次巻線、第1の2次巻線および第2の2次巻線を有し前記1次巻線が上記商用交流電力により励磁される充電器用トランスと、前記第1の2次巻線に発生する交流電力を整流する第1のダイオードおよび前記第2の2次巻線に発生する交流電力を整流する第2のダイオードを含み、
前記ハーフブリッジ型インバータが、前記第1の2次電池の正極にカソード端子が接続される第1のスイッチング素子と、前記第1の2次電池の負極にアノード端子が接続される第2のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子のアノード端子と前記第2のスイッチング素子のカソード端子の接続点に一方の端子が接続されるチョークコイルと、前記チョークコイルの他方の端子が一方の端子に接続され他方の端子が前記第1の2次電池の負極と前記第2の2次電池の正極との結合点に接続される積分コンデンサとを含み、
交流電力合成部が、前記商用交流電源の一方の極に一方の端子が接続される商用電源用カップリングコンデンサと、前記積分コンデンサの一方の端子に一方の端子が接続されるインバータ用カップリングコンデンサを含み、
前記商用電源用カップリングコンデンサの他方の端子と前記インバータ用カップリングコンデンサの他方の端子の接続点が一方の出力端であり前記積分コンデンサの他方の端子が他方の出力端子である構成を有している。
The uninterruptible power supply according to the present invention is
The charging circuit includes a primary winding, a first secondary winding, and a second secondary winding, and the primary winding is excited by the commercial AC power; A first diode that rectifies AC power generated in the first secondary winding and a second diode that rectifies AC power generated in the second secondary winding;
The half-bridge inverter includes a first switching element having a cathode terminal connected to a positive electrode of the first secondary battery, and a second switching having an anode terminal connected to a negative electrode of the first secondary battery. A choke coil having one terminal connected to a connection point of an element, an anode terminal of the first switching element and a cathode terminal of the second switching element, and the other terminal of the choke coil connected to one terminal And the other terminal includes an integrating capacitor connected to a coupling point between the negative electrode of the first secondary battery and the positive electrode of the second secondary battery,
The AC power combiner includes a commercial power coupling capacitor having one terminal connected to one pole of the commercial AC power supply, and an inverter coupling capacitor having one terminal connected to one terminal of the integrating capacitor Including
The connection point between the other terminal of the commercial power supply coupling capacitor and the other terminal of the inverter coupling capacitor is one output terminal, and the other terminal of the integrating capacitor is the other output terminal. ing.
本発明によれば、構成を簡易化できるとともに、他の電源との併用を容易に実現可能な無停電電源装置を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to simplify a structure, the uninterruptible power supply device which can implement | achieve combined use with another power supply easily is realizable.
以下図面を参照しながら、本発明に係る無停電電源装置の実施形態を説明する。 Embodiments of an uninterruptible power supply according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
すなわち、本発明に係る無停電電源装置1は、図1の構成図に示すように、第1の2次電池11と、第1の2次電池11と直列に接続される第2の2次電池12と、第1の2次電池11および第2の2次電池12を商用交流電力により充電する充電器13と、第1の2次電池11および第2の2次電池12により供給される直流電力から商用交流電力に同期した交流電力を生成するハーフブリッジ型インバータ14と、商用交流電力およびハーフブリッジ型インバータ14により生成された交流電力をカップリングコンデンサにより合成する交流電力合成回路15とから構成されている。
That is, the uninterruptible power supply 1 according to the present invention includes a first
第1の2次電池11および第2の2次電池12は、たとえばリチウム電池であり、各々は12ボルトのセルを12個直列に接続した144ボルトの直流電力を出力する。
The first
充電器13は、リレイ131、充電器用トランス132、充電電流測定回路133、第1のダイオード134および第2のダイオード135を含む。
The
充電器用トランス132は、1つの1次巻線と2つの2次巻線を有する。
The
1次巻線の一端はリレイ131を介して商用電源の一方の端子に接続され、1次巻線の他端は充電電流測定回路133を介して商用電源の他方の端子(接地側)に接続されている。
One end of the primary winding is connected to one terminal of the commercial power supply via the
第1の2次巻線の一端には第1のダイオード134のアノード電極が、第2の2次巻線の一端には第2のダイオード135のアノード電極が接続されている。
The anode electrode of the
また、第1のダイオード134のカソード電極は第1の2次電池11の正極に、第2のダイオード135のカソード電極は第2の2次電池12の正極に接続されている。
The cathode electrode of the
さらに、第1の2次巻線の他端は第1の2次電池11の負極に、第2の2次巻線の他端は第2の2次電池12の負極に接続されている。
Further, the other end of the first secondary winding is connected to the negative electrode of the first
なお、第1の2次電池11の負極と、第2の2次電池12の正極は共通に接地されている。
The negative electrode of the first
ハーフブリッジ型インバータ14は、第1のスイッチング素子141、第2のスイッチング素子142、チョークコイル143、積分コンデンサ144、スイッチング制御回路145および位相検出用トランス146を含む。
The half-
第1のスイッチング素子141および第2のスイッチング素子142としては、たとえばMOS−FETを適用することができる。
As the
第1のスイッチング素子141のソース端子は第1の2次電池11の正極に、第2のスイッチング素子142のドレン端子は第2の2次電池12の負極に接続され、第1のスイッチング素子141のドレン端子および第2のスイッチング素子142のソース端子はチョークコイル143の一方の端子に共通に接続される。
The source terminal of the
チョークコイル143の他方の端子は積分コンデンサ144の一方の端子に接続され、積分コンデンサ144の他方の端子は接地されている。
The other terminal of the
スイッチング制御回路145は、第1のスイッチング素子141および第2のスイッチング素子142のゲート端子に、位相検出用トランス146により検出される商用電源に同期したスイッチング信号を供給する。
The
交流電力合成回路15は、商用電源用カップリングコンデンサ151とインバータ用カップリングコンデンサ152を含む。
The AC
商用電源用カップリングコンデンサ151の一方の端子は商用電源の一方の端子に接続され、インバータ用カップリングコンデンサ152の一方の端子はハーフブリッジ型インバータ14の出力の一方の端子であるチョークコイル143の他方の端子と積分コンデンサ144の一方の端子の接続点に接続されている。
One terminal of the commercial power
商用電源用カップリングコンデンサ151の他方の端子とインバータ用カップリングコンデンサ152の他方の端子は共通に接続されて、本発明に係る無停電電源装置1の出力の一方の端子となる。なお、本発明に係る無停電電源装置1の出力の他方の端子は接地端子である。
The other terminal of the commercial power
以下本発明に係る無停電電源装置の動作を説明する。 The operation of the uninterruptible power supply according to the present invention will be described below.
図2は、図1に示す無停電電源装置のA〜E点の電圧波形図であって、A点の波形は商用電源の波形となる。 FIG. 2 is a voltage waveform diagram at points A to E of the uninterruptible power supply shown in FIG. 1, and the waveform at point A is the waveform of the commercial power supply.
充電器13の充電電流測定回路133において、第1の2次電池11および第2の2次電池12が充電可能な状態、すなわち、充電電流が所定値以上流れていれば、リレイ131は接続状態を維持し、充電器用トランス132の1次巻線に商用電力が供給される。
In the charging
充電器用トランス132の2つの2次巻線には第1の2次電池11および第2の2次電池12を充電可能な電圧の交流電力が誘起され、第1のダイオード134および第2のダイオード135により半波整流される。
AC power of a voltage capable of charging the first
そして、第1のダイオード134から出力される直流電力により第1の2次電池11が充電され、第2のダイオード135から出力される直流電力により第2の2次電池12が充電される。
The first
なお、第1の2次電池11および第2の2次電池12が満充電状態となれば、充電電流は所定値以下となり、充電電流測定回路133はリレイ131を開放状態とし、第1の2次電池11および第2の2次電池12の過充電を防止するようになっている。
If the first
ハーフブリッジ型インバータ14のスイッチング制御回路145は、位相検出用トランス146により検出される商用電源の位相に同期して、第1のスイッチング素子141および第2のスイッチング素子142を制御し、商用電源と同期した交流電力を発生するようになっている。
The
図3はハーフブリッジ型インバータ14の動作状態を説明するための等価回路図であって、4つの動作状態がある。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram for explaining the operating state of the half-
(イ)は第1のスイッチング素子141が接続状態、第2のスイッチング素子142が開放状態であり、電流は第1の2次電池11の正極から第1のスイッチング素子141およびチョークコイル143を経て積分コンデンサ144に流入し、第1の2次電池11の負極に戻る。
(A) The
(ロ)は第1のスイッチング素子141が開放状態に移行し、第2のスイッチング素子142が開放状態を維持している状態であり、チョークコイル143の電流を維持する機能により、第2のスイッチング素子142が内蔵するボディダイオードがオンとなり、転流電流が流れる。
(B) is a state in which the
(ハ)は第1のスイッチング素子141が開放状態、第2のスイッチング素子142が接続状態であり、電流は第2の2次電池12の正極から積分コンデンサ144に流入し、チョークコイル143および第2のスイッチング素子142を経て第2の2次電池12の負極に戻る。
(C) shows that the
(ニ)は第1のスイッチング素子141が開放状態を維持し、第2のスイッチング素子142が開放状態に移行した状態であり、チョークコイル143の電流を維持する機能により、第1のスイッチング素子141が内蔵するボディダイオードがオンとなり、転流電流が流れる。
(D) is a state in which the
スイッチング制御回路145は、第1のスイッチング素子141および第2のスイッチング素子142のゲートにスイッチング制御信号を供給し、第1のスイッチング素子141および第2のスイッチング素子142をPWM(パルス幅変調)制御する。
The
すなわち、スイッチング制御回路145は、スイッチング制御信号としてパルス幅制御されたスイッチング制御信号を出力する。
That is, the switching
その結果、第1のスイッチング素子141または第2のスイッチング素子142を流れる電流は、商用電源の正弦波状電圧に比例して増減するパルス幅を有することとなる。
As a result, the current flowing through the
このパルス状の電流は積分コンデンサ144で積分されるため、積分コンデンサ144の両端には、商用電源に同期した交流電力が発生する。
Since this pulsed current is integrated by the
なお、スイッチング制御回路145は位相検出用トランス146の出力電圧が所定値以下に低下したときに動作を開始するようになっている。
The switching
交流電力合成回路15において、商用電源は商用電源用カップリングコンデンサ151により、ハーフブリッジ型インバータ14の発生した交流電力はインバータ用カップリングコンデンサ152により、直流成分が取り除かれて、商用電源電力とハーフブリッジ型インバータ14の発生した交流電力とが合成される。
In the AC
そして、商用電源が正常であるときは、位相検出用トランス146の出力電圧は所定値より大となり、ハーフブリッジ型インバータ14は動作しない。
When the commercial power supply is normal, the output voltage of the
この結果、交流電力合成回路15からは商用電力がそのまま出力されることとなる。
As a result, the commercial power is output from the AC
逆に、商用電源の電圧が所定電圧以下に低下すると、位相検出用トランス146の出力電圧は所定値以下となり、ハーフブリッジ型インバータ14が動作し、交流電力を発生する。
Conversely, when the voltage of the commercial power supply drops below a predetermined voltage, the output voltage of the
なお、ハーフブリッジ型インバータ14が発生する交流電力は商用電源電力と同期しているため、商用電源からインバータ電源への移行の際に電力の瞬断が発生することはない。
Since the AC power generated by the half-
なお、商用電源の電圧が復帰した際にも、瞬断が発生しないことは明らかである。 It is obvious that no instantaneous interruption occurs when the voltage of the commercial power supply is restored.
なお、本発明に係る無停電電源装置1は、無停電電源装置1に接続される負荷に流れる負荷電流測定回路16を含んでいてもよい。 The uninterruptible power supply 1 according to the present invention may include a load current measurement circuit 16 that flows through a load connected to the uninterruptible power supply 1.
負荷電流測定回路16は、本発明に係る無停電電源装置1が商用電源電力を出力しているときは緑色灯を点灯し、ハーフブリッジ型インバータ14が発生する交流電力を出力しているときは黄色用を点灯する。
The load current measuring circuit 16 lights a green light when the uninterruptible power supply 1 according to the present invention outputs commercial power, and outputs the AC power generated by the half-
ハーフブリッジ型インバータ14が発生する交流電力の電流が所定値以下に低下したときは赤色灯を点灯して、使用者に2次電池が過放電となる旨を警告する。
When the AC power generated by the half-
上記実施例においては、第1の2次電池11および第2の2次電池12を商用電源電力により充電する場合について説明したが、太陽電池、風力発電機等の直流電源により充電することも可能であることは明らかである。
In the above embodiment, the case where the first
さらに、交流電力合成回路15において、他の無停電電源装置、自家発電装置等の他の交流電源が供給する交流電力も結合コンデンサを介して容易に合成可能であることも明らかである。
Furthermore, in the AC
本発明は、無停電電源装置の構成を簡易化できるとともに、他の電源との併用も容易に実現することができ、産業上有用である。 INDUSTRIAL APPLICATION While this invention can simplify the structure of an uninterruptible power supply device, it can implement | achieve combined use with another power supply easily, and is industrially useful.
1 無停電電源装置
11 第1の2次電池
12 第2の2次電池
13 充電器
14 ハーフブリッジ型インバータ
15 交流電力合成回路
16 負荷電流測定回路
131 リレイ
132 充電器用トランス
133 充電電流測定回路
134 第1のダイオード
135 第2のダイオード
141 第1のスイッチング素子
142 第2のスイッチング素子
143 チョークコイル
144 積分コンデンサ
145 スイッチング制御回路
146 位相検出用トランス
151 商用電源用カップリングコンデンサ
152 インバータ用カップリングコンデンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (1)
前記第1の2次電池と直列に接続される第2の2次電池と、
前記第1の2次電池および前記第2の2次電池を商用交流電力により充電する充電器と、
前記第1の2次電池および前記第2の2次電池により供給される直流電力から前記商用交流電力に同期した交流電力を生成するハーフブリッジ型インバータと、
前記商用交流電力および前記ハーフブリッジ型インバータにより生成された交流電力をカップリングコンデンサにより合成する交流電力合成部と、を含み、
前記充電器が、
1つの1次巻線、第1の2次巻線および第2の2次巻線を有し、前記1次巻線が上記商用交流電力により励磁される充電器用トランスと、
前記第1の2次巻線に発生する交流電力を整流する第1のダイオードおよび前記第2の2次巻線に発生する交流電力を整流する第2のダイオードを含み、
前記ハーフブリッジ型インバータが、
前記第1の2次電池の正極にソース端子が接続される第1のスイッチング素子と、
前記第1の2次電池の負極にドレン端子が接続される第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子のドレン端子と前記第2のスイッチング素子のソース端子の接続点に一方の端子が接続されるチョークコイルと、
前記チョークコイルの他方の端子が一方の端子に接続され、他方の端子が前記第1の2次電池の負極と前記第2の2次電池の正極との結合点に接続される積分コンデンサとを含み、
前記交流電力合成部が、
前記商用交流電力を供給する商用電源の一方の極に一方の端子が接続される商用電源用カップリングコンデンサと、
前記積分コンデンサの一方の端子に一方の端子が接続されるインバータ用カップリングコンデンサを含み、
前記商用電源用カップリングコンデンサの他方の端子と前記インバータ用カップリングコンデンサの他方の端子の接続点が一方の出力端であり、前記積分コンデンサの他方の端子が他方の出力端子である無停電電源装置。 A first secondary battery;
A second secondary battery connected in series with the first secondary battery;
A charger for charging the first secondary battery and the second secondary battery with commercial AC power;
A half-bridge inverter that generates AC power synchronized with the commercial AC power from DC power supplied by the first secondary battery and the second secondary battery;
Look including a an AC power combiner for combining by the commercial AC power and the half-bridge inverter coupling capacitor AC power generated by,
The charger is
A charger transformer having one primary winding, a first secondary winding and a second secondary winding, wherein the primary winding is excited by the commercial AC power;
A first diode that rectifies AC power generated in the first secondary winding and a second diode that rectifies AC power generated in the second secondary winding;
The half-bridge inverter is
A first switching element having a source terminal connected to a positive electrode of the first secondary battery;
A second switching element having a drain terminal connected to the negative electrode of the first secondary battery;
A choke coil having one terminal connected to a connection point between the drain terminal of the first switching element and the source terminal of the second switching element;
An integrating capacitor connected to the connection point between the negative terminal of the first secondary battery and the positive terminal of the second secondary battery, the other terminal of the choke coil being connected to one terminal; Including
The AC power combining unit is
A commercial power coupling capacitor having one terminal connected to one pole of a commercial power source for supplying the commercial AC power;
Including an inverter coupling capacitor having one terminal connected to one terminal of the integrating capacitor;
An uninterruptible power supply in which the connection point of the other terminal of the coupling capacitor for commercial power supply and the other terminal of the coupling capacitor for inverter is one output terminal, and the other terminal of the integrating capacitor is the other output terminal apparatus.
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