JP6294187B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は，無停電電源装置に係り，特に，パワー半導体モジュールで構成されるコンバータで三相交流を整流し，インバータで可変電圧可変周波数の交流に変換し，蓄電池の充電電圧を降圧あるいは放電電圧を昇圧するのに好適な無停電電源装置に関する。

無停電電源装置（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ−ｓｕｐｐｌｙ Ｓｙｓｔｅｍ，以下ＵＰＳ）は，定常電源である商用電源等の異常時に，負荷への電力供給を断つことなく安定供給するための電力変換装置を利用した装置である。昨今のＩＴ利活用の革新に伴い，データセンタなどにおけるＵＰＳの需要が高まっている。データセンタ向けのＵＰＳは，地価の高い都市近郊に敷設されるため，設置面積の低減，すなわち装置小型化が望まれている。

ＵＰＳは，商用電源等の異常時に，蓄電池を電圧源として用いることが多く，蓄電池を放電させて電力をインバータへ供給し，所望の電圧と周波数に変換して負荷へ供給する。従来，蓄電池を充電するために，コンバータで整流された直流電圧を降圧する機能をチョッパが担っている。このチョッパは，低圧な蓄電池電圧を昇圧してインバータへ供給する役割も持っており，いわゆる双方向チョッパ（以下，充放電チョッパ）として動作する。

一般的に，前述の充放電チョッパ回路において，充電時の出力電力は小さいが，放電時にインバータと同等の定格電力が必要となる。そのため，充放電チョッパを構成するスイッチング素子は，放電時の負荷に耐え得る定格電流および定格損失が要求される。それ故に，商用電源の正常時には，充放電チョッパを構成するパワー半導体モジュールや，充放電チョッパ前段のリアクトルが過剰性能を有することとなる。この過剰性能は充放電回路の大型化につながる。

充放電用回路が大型化する問題の解決案として，例えば特許第４９５１４７６号（特許文献１）に記載のように，コンバータの入力接続先を商用電源あるいは蓄電池に切り換える方式が知られている。具体的には，商用電源の異常時に，昇圧動作させたコンバータと充放電チョッパへ蓄電池の放電電力を供給することによって，定格の直流電圧をインバータへ出力する構成である。特許文献１の構成は，コンバータと充放電チョッパへ放電電力を分配できるため，充放電チョッパ自体と充放電チョッパ前段のリアクトルの小型化を実現する。

特許第４９５１４７６号公報

上記従来技術のＵＰＳでは，コンバータ前段に三台のリアクトルが必要となり，そして，その三台のリアクトルを小型実装するためには，三脚鉄心の三相交流リアクトルが用いられる。三脚鉄心のリアクトルを用いる構成では，薄い磁性材料を積層させて構成した磁脚鉄心にそれぞれコイルを巻回させて三相コイルを構成する。各磁脚鉄心は，ヨーク鉄心と接合される。
商用電源正常時では，Ｒ相の交流電圧により発生した磁束は，ヨーク鉄心を通り，Ｓ相とＴ相の磁脚へ流れ込むように形成される。Ｓ相とＴ相に発生した磁束は，ヨーク鉄心を介してＲ相に流れるように形成される。各相の磁束の向きは，コイルに流れる電流の向きで決まり，磁束が漏洩しないように磁気回路が閉じている。

しかしながら，三相交流電圧を印加した時の瞬時磁気回路を説明すると，各相の直流通電により発生した磁束は，Ｒ相のコイルで発生した磁束と，Ｓ相とＴ相のコイルで発生した磁束が同じ方向へ流れ込むように形成されるので，片側のヨーク鉄心へ集中し，漏洩磁束となって構造外へ磁気回路を形成する。この漏洩磁束がノイズとなり，ＵＰＳの制御装置などを誤動作させる問題が生じる可能性がある。

本発明の目的は，異常時の蓄電池放電が形成する磁気回路上で漏洩磁束が生じないようにしてノイズを抑制して装置制御の誤動作を防止できる無停電電源装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために，本発明では，三相交流電源からの電力を三相交流リアクトルを介して受けて直流に変換して直流端子に供給するコンバータと，前記直流端子に供給された直流電圧を平滑するコンデンサと，前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に電力を供給するインバータと，前記直流端子の電圧を降圧して蓄電池に充電或いは前記蓄電池の電圧を昇圧して前記直流端子に放電する充放電チョッパを有し，前記三相交流電源が異常状態の時に，前記充放電チョッパにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給すると共に，前記コンバータにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給するものであって，前記三相交流リアクトルは，前記三相の各々に対応する３つ巻線が巻回される３つの鉄芯と，前記３つの鉄心が一方側で接続される一方側ヨーク鉄心と，前記３つの鉄心が他方側で接続される他方側ヨーク鉄心と，前記一方側ヨーク鉄心と前記３つの鉄心の各々とを接続する第４の鉄心を有するように構成した。

具体的には，商用電源からの電力を直流に変換するコンバータと，コンバータで変換された直流電圧を平滑するコンデンサと，コンバータで変換された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に電力を供給するインバータとを具備し，商用電源から正常に電力が供給されている時は，コンバータで変換された直流電圧を充放電チョッパにより降圧して蓄電池を充電し，コンバータの前段に，蓄電池の電力をコンバータに供給する切換手段を設け，商用電源が異常状態の時には，蓄電池の電力をコンバータへ供給し，コンバータを構成するスイッチング素子によって蓄電池の電力を昇圧することにより三相交流のコンバータを三並列放電用チョッパとして動作させ，同時に，充放電チョッパにより蓄電池の電力を昇圧し，放電電力の一部を供給するようにしたもので，三相交流リアクトルを少なくとも一つコンバータ前段に有し，その三相交流リアクトルは，蓄電池からの直流電流が分配される三つのコイルと，各コイルを巻回させている磁脚鉄心と，コイルを巻回させない少なくとも一つの脚とが並列に構成（例えば，五脚鉄心）されることを特徴としている。

本発明によれば，蓄電池放電時に，三相交流リアクトルへ直流電圧が印加された場合にも，該リアクトル構造内で磁束漏洩なく磁気回路が形成されるため，制御部品などの誤動作を防止することができる。

第一実施例のＵＰＳ１における商用電源正常時の回路構成を示す図である。 第一実施例のＵＰＳ１における商用電源異常時の回路構成を示す図である。 商用電源異常時に，コンバータ１１あるいは五脚鉄心の三相交流リアクトル１５において，三相の配線のうち一相が使用不可となった場合の簡易回路図である。 コンバータ１１前段の一相が蓄電池放電経路となるように，切換手段を設けた場合の簡易回路図である。 ＵＰＳ１を構成するコンバータ１１の回路図である。 ＵＰＳ１を構成するインバータ１２の回路図である。 ＵＰＳ１を構成する充放電チョッパ１３の回路図である。 商用電源異常になる時の商用電源電圧とスイッチ２１，２２，ならびにコンバータ１１，インバータ１２，充放電チョッパ１３の状態を示す波形図である。 商用電源異常から正常状態へ復帰する時の商用電源電圧とスイッチ２１，２２，ならびにコンバータ１１，インバータ１２，充放電チョッパ１３の状態を示す波形図である。 ＵＰＳ１を構成する五脚鉄心の三相交流リアクトル１５の斜視図である。 ＵＰＳ１を構成する五脚鉄心の三相交流リアクトル１５における商用電源正常時の瞬時磁気回路図である。 ＵＰＳ１を構成する五脚鉄心の三相交流リアクトル１５における商用電源異常時の磁気回路図である。 第二実施例の四脚鉄心の三相交流リアクトルをＵＰＳ１に適用する場合の商用電源異常時の磁気回路図である。 第三実施例の六脚鉄心のリアクトルをＵＰＳ１に適用する場合の商用電源異常時の磁気回路図である。 第四実施例の充放電チョッパを二並列化した場合における，商用電源正常時のＵＰＳ１の簡易回路図である。 第五実施例について，商用電源電圧とスイッチ２１，２２，ならびにコンバータ１１，インバータ１２，充放電チョッパ１３の状態を示す波形図である。 三脚鉄心の三相交流リアクトル１００における商用電源正常時の瞬時磁気回路図である。 三脚鉄心の三相交流リアクトル１００における商用電源異常時の磁気回路図である。

以下，図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

本発明第一の実施例について図１から図１２までを用いて説明する。図１は，商用電源２から正常に電力が供給されている時のＵＰＳ１の簡易回路図である。本システムは，停電時に無瞬断で電力供給を継続できる常時インバータ給電方式である。商用電源２からの三相交流電力は，定常電源側スイッチ２１と，五脚鉄心の三相交流リアクトル１５を経てコンバータ１１へと供給され，整流回路であるコンバータ１１によって交流から直流へ変換される。コンバータ１１前段のリアクトル１５は，コンバータ１１の電力変換時に発生する高調波を除去するためのフィルタの一部である。コンバータ１１での整流後，コンデンサ２０によって平滑化された直流電圧４がインバータ１２へ印加され，所望の電圧と周波数の交流へと逆変換される。逆変換後，インバータ１２が出力する三相交流電力５は，出力用フィルタ回路６によって高調波成分が除去された後に，負荷側スイッチ２４を介して負荷３へと供給される。常時インバータ給電方式においては，常時，三相交流の商用電源２は，コンバータ１１とインバータ１２を経由して負荷３へ電力を給電する。したがって，商用電源２に瞬時電圧低下等の電圧変動が生じた場合に，コンバータ１１とインバータ１２が制御することで，通常の商用電源と同等の電力を安定供給可能とする。コンバータ１１とインバータ１２の動作，ならびに定常電源側スイッチ２１と負荷側スイッチ２４のＯＮとＯＦＦは，上位制御回路２０１からの信号によって制御される。

一方，インバータ１２の前段には充放電チョッパ１３が接続される。商用電源正常時には，直流電圧４を降圧し，蓄電池１４の充電のために充電電力７を出力する降圧チョッパとして充放電チョッパ１３が回路動作する。蓄電池保護用スイッチ２３は，過電流などから電池を保護する役割を持つ。充放電チョッパ１３と蓄電池保護用スイッチ２３は，上位制御回路２０１からの信号によって制御される。

図２は，商用電源２から電力供給不可となった場合（異常時）の回路接続を示す図である。商用電源異常時には，定常電源側スイッチ２１をＯＦＦするとともに，非定常電源側スイッチ２２をＯＮして，電力供給源を商用電源２から蓄電池１４へと切り換える。これにより，コンバータ１１側と充放電チョッパ１３側へ，蓄電池１４の放電電力８が分配される回路を構成する。本システムでは，ＵＰＳ１を小型化する観点から，蓄電池１４の総電圧をインバータ１２に印加する直流電圧４よりも十分低くとっている。そのため，充放電チョッパ１３は，蓄電池１４の直流電圧を昇圧させる昇圧チョッパとしても動作する。昇圧された直流電力はコンデンサ２０へ給電される。

また，商用電源異常時には，非定常電源側スイッチ２２を介してコンバータ１１側へ放電電力８が送られ，五脚鉄心の三相交流リアクトル１５に直流電圧が印加される。コンバータ１１へ直流電圧が入力されると，インバータ１２の定格電圧を出力するために，充放電チョッパ１３と同様に，コンバータ１１が昇圧チョッパとして動作する。この時，コンバータ１１と充放電チョッパ１３は，昇圧動作が同期するように，上位制御回路２０１からの信号によって制御される。

図３は，コンバータ１１あるいは五脚鉄心の三相交流リアクトル１５において，三相の配線のうち一相が使用不可となった場合の簡易回路図である。使用不可となった相につながる非定常電源側スイッチ２２の一部をＯＦＦすることによって，商用電源異常時に，使用可能な配線を介して放電電力８をコンバータ１１へ給電することができる。三相の配線のうち二相が使用不可となった場合も同様である。

また，図４はコンバータ１１前段の一相が蓄電池放電経路となるように，切換手段を設けた場合の簡易回路図である。商用電源異常時に，コンバータ１１と充放電チョッパ１３を二並列昇圧チョッパとして使用できる構成である。

図５は，ＵＰＳ１を構成するコンバータ１１の回路図である。コンバータ１１は，商用電源２の三相交流電圧を直流電圧４に変換させるものである。商用電源正常時には，入力となる三相交流電力を，コンバータ１１の交流端子４１ｒ，４１ｓ，４１ｔに供給し，各相に備えられた上アームのスイッチング素子３１及び整流素子３３と，下アームのスイッチング素子３２及び整流素子３４と，を用いて整流させる。本実施例においては，スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ），整流素子としてダイオード，を用いているが，これらに限らず，他の種類の素子を適用することも可能である（以下同様）。コンバータ１１のスイッチング素子３１，３２は，制御回路２０２からの信号によって駆動される。商用電源２の異常時には，Ｒ，Ｓ，Ｔ相の上アームのスイッチング素子３１をＯＦＦ状態でゲートブロックし，下アームのスイッチング素子３２のみを駆動させて昇圧回路として動作する。このとき，非定常電源側スイッチ２２で導通した相に対応する下アームのスイッチング素子３２を駆動させれば良い。

図６は，ＵＰＳ１を構成するインバータ１２の回路図である。インバータ１２は，コンデンサ２０で平滑化された直流電力を三相交流電力５に変換させるものである。コンバータ１１により変換された直流電圧４を，各相に備えられた上アームのスイッチング素子３１及び整流素子３３と，下アームのスイッチング素子３２及び整流素子３４と，を用いて三相交流電力５に変換させ，交流端子４２ｕ，４２ｖ，４２ｗに出力する。インバータ１２のスイッチング素子３１，３２は，制御回路２０３からの信号によって駆動される。インバータ１２は，商用電源２の状態に関わらず，直流電圧を交流電圧に変換し，出力用フィルタ回路６へ定格電力を出力する。

図７は，ＵＰＳ１を構成する充放電チョッパ１３の回路図である。充放電チョッパ１３は，商用電源２の正常時に直流電圧４を降圧して充電電力７を出力させるものである。まず，上アームのスイッチング素子３１がＯＮしている間に，蓄電池１４と充放電チョッパ１３との間に接続されたリアクトル１６に電磁エネルギーが蓄積される。次に，上アームのスイッチング素子３１がＯＦＦした際に，逆起電力が発生するリアクトル１６の電磁エネルギーが放出されて，蓄電池１４が充電される。他方，商用電源異常時には，充放電チョッパ１３は，蓄電池１４の低圧の直流電圧を高圧の直流電圧４に変換する。まず，蓄電池１４の放電電力８がリアクトル１６に供給されて，下アームのスイッチング素子３２がＯＮしている間に，リアクトル１６に電磁エネルギーが蓄積される。次に，下アームのスイッチング素子３２がＯＦＦした際に，リアクトル１６の逆起電力により上アームの整流素子３３がＯＮする。これより，充放電チョッパ１３の出力端には，蓄電池１４の直流電圧とリアクトル１６の逆起電圧の加算電圧が現れるため，結果的に昇圧される。充放電チョッパ１３のスイッチング素子３１，３２は，制御回路２０４からの信号によって駆動される。本実施例において，充放電チョッパ１３の２レベルハーフブリッジ回路３５を二並列としているが，この並列数は充放電チョッパ１３への放電時給電量によって決まる。すなわち，商用電源異常時にコンバータ１１が三並列昇圧回路として動作することによって，充放電チョッパ１３の並列数を低減でき，装置を小型化できる。

以上より，本実施例のＵＰＳ１に搭載されるコンバータ１１，インバータ１２，充放電チョッパ１３は，いずれも，上アームのスイッチング素子３１及び整流素子３３と，下アームのスイッチング素子３２及び整流素子３４と，が直列に接続された２レベルハーフブリッジ回路３５を基本構成としている。負荷３への供給電力がＵＰＳ１の定格電力を超える場合には，コンバータ１１，インバータ１２ならびに充放電チョッパ１３の２レベルハーフブリッジ回路３５の並列数を増やすことによって定格電力を大きくする。本実施例では，商用電源異常時に，コンバータ１１が三並列昇圧回路として放電電力を昇圧するため，コンバータ１１あるいはインバータ１２に比べ，充放電チョッパ１３における並列数の増加分が少なくなる。

図８に，ＵＰＳ１における商用電源電圧とスイッチ２１，２２，ならびにコンバータ１１，インバータ１２，充放電チョッパ１３の波形図を示す。図８の時刻ｔ０からｔ１までは商用電源正常時を示し，ｔ１以降は異常時を示す。本実施形態では，装置小型化のために，インバータ１２の連続定格よりも小さい連続定格を持つ充放電チョッパ１３をＵＰＳ１に適用する。充放電チョッパ１３の構成例としては，図７の回路図において，２レベルハーフブリッジ回路３５を二つから一つに削減することが挙げられる。

まず，商用電源正常時のｔ０からｔ１について説明する。正常時は，商用電源２から三相交流が入力され，定常電源側スイッチ２１がＯＮ，非定常電源側スイッチ２２をＯＦＦした状態である。コンバータ１１には商用電源２からＰ２の電力が供給され，インバータ１２にはＰ１が給電される。また，コンバータ１１で整流された電力の一部Ｐ４が，蓄電池充電のために充放電チョッパ１３へ供給される。商用電源正常時における給電量の関係は，Ｐ１＝Ｐ２−Ｐ４である。

次に，商用電源異常時の時刻ｔ１からｔ３までについて説明する。まず，蓄電池放電による商用電源２への短絡を防ぐため，定常電源側スイッチ２１をＯＦＦに切り換える。時刻ｔ１からｔ２は，定常電源側スイッチ２１のＯＦＦ動作に必要な時間である。定常電源側スイッチ２１のＯＦＦ状態確認後，非定常電源側スイッチ２２をＯＮに切り換える。時刻ｔ２からｔ３は，非定常電源側スイッチ２２のＯＮ動作に必要な時間である。時刻ｔ１からｔ３までの間，コンバータ１１への給電が断たれるが，ＵＰＳ１は負荷３へ無瞬断で電力供給しなければならない。したがって，スイッチ２１，２２のＯＮ・ＯＦＦ動作と並行して蓄電池放電を開始し，充放電チョッパ１３が昇圧動作を始める。充放電チョッパ１３は，ｔ１からｔ３の間だけ単独で昇圧回路動作するが，インバータ１２の連続定格よりも小さい連続定格を持つため，短時間の過負荷運転が必要となる。過負荷運転時にはＰ５の電力を受け，充放電チョッパ１３によって昇圧された直流電力がインバータ１２へ供給されるため，時刻ｔ１からｔ３における給電量の関係は，Ｐ１＝Ｐ５である。

次に，商用電源異常時の時刻ｔ３以降について説明する。非定常電源側スイッチ２２がＯＮすると，コンバータ１１へ蓄電池１４の放電電力８が分配される。コンバータ１１を構成するスイッチング素子３１，３２へ，制御回路２０２から異常時用の信号を送り，コンバータ１１に昇圧回路動作させる。時刻ｔ３以降，コンバータ１１と充放電チョッパ１３が蓄電池１４の四並列昇圧回路となる。本実施形態では，コンバータ１１が電力Ｐ３を負担し，充放電チョッパ１３の給電量が異常時の連続定格のＰ６まで下がる。コンバータ１１の整流機能を踏まえると，充放電チョッパ１３よりも定格電力が大きいと考えられ，給電量の関係がＰ３＞Ｐ６であっても，コンバータ１１は十分動作する。インバータ１２へは，コンバータ１１と充放電チョッパ１３で昇圧した直流電力が送られ，直流から交流に変換した後に負荷３へ電力Ｐ１が供給される。このときの給電量の関係は，Ｐ１＝Ｐ３＋Ｐ６である。

図９は，商用電源異常から正常状態に復帰する際の波形図である。図９には，ＵＰＳ１における商用電源電圧とスイッチ２１，２２，ならびにコンバータ１１，インバータ１２，充放電チョッパ１３の状態が示されている。時刻ｔ４からｔ５までは商用電源の異常時，商用電源が復帰するｔ５以降は正常時を示す。なお，商用電源異常時の時刻ｔ４からｔ５までは，図９における時刻ｔ３以降と同じ状態であり，Ｐ３＞Ｐ６かつＰ１＝Ｐ３＋Ｐ６である。

商用電源が復帰する時刻ｔ５からｔ７までについて説明する。まず，蓄電池放電による商用電源２への短絡を防ぐため，非定常電源側スイッチ２２をＯＦＦに切り換える。時刻ｔ５からｔ６は，定常電源側スイッチ２２のＯＦＦ動作に必要な時間である。非定常電源側スイッチ２２のＯＦＦ状態確認後，定常電源側スイッチ２１をＯＮに切り換える。時刻ｔ６からｔ７は，定常電源側スイッチ２１のＯＮ動作に必要な時間である。時刻ｔ６からｔ７までの間，コンバータ１１への給電が断たれるが，ＵＰＳ１は負荷３へ無瞬断で電力供給しなければならない。したがって，充放電チョッパ１３が，時刻ｔ６からｔ７の間だけ過負荷運転となり，Ｐ５の電力を受ける。充放電チョッパ１３によって昇圧された直流電力は，インバータ１２へ供給され，所望の電圧と周波数に変換された後に負荷３へ給電される。時刻ｔ６からｔ７における給電量の関係は，Ｐ１＝Ｐ５である。

定常電源側スイッチ２１がＯＮ状態となる時刻ｔ７以降，ＵＰＳ１は商用電源定常時の運転となる。正常時には，コンバータ１１が整流回路動作し，商用電源の交流電力を直流電力に変換する。また，充放電チョッパ１３が降圧回路動作することにより，コンバータ１１によって変換された直流電力を降圧し，蓄電池１４を充電する。このように，商用電源に異常が発生しても，インバータ１２へ電力を安定供給することができる。本実施形態であれば，充放電チョッパ１３がインバータ１２よりも小さい連続定格を持った構成となるため，装置小型化に貢献する。

図１０は，コンバータ１１前段に設置される五脚鉄心の三相交流リアクトル１５の斜視図である。磁脚鉄心である１０１ｒ，１０１ｓ，１０１ｔにそれぞれコイル１０２ｒ，１０２ｓ，１０２ｔを巻回させて三相コイルを構成する。さらに，磁脚鉄心１０１ｒと１０１ｔに隣接する零相の磁脚鉄心１０５ａ，１０５ｂとを備え，全ての磁脚鉄心は，ヨーク鉄心１０３ａ，１０３ｂと接合される。

ここで，本実施例の特徴となる構成を説明する前に，対照となる参考例として，三脚鉄心として構成される三相交流リアクトルを例に挙げて説明する。図１７に示される三脚鉄心の三相交流リアクトルの構造概略図において，薄い磁性材料を積層させて構成した磁脚鉄心１０１ｒ，１０１ｓ，１０１ｔにそれぞれコイル１０２ｒ，１０２ｓ，１０２ｔを巻回させて三相コイルを構成する。各磁脚鉄心は，ヨーク鉄心１０３ａ，１０３ｂと接合される。商用電源正常時，Ｒ相の交流電圧により１０６ｒの方向にＲ相電流が流れると，アンペールの右ネジの法則から，Ｒ相磁束は１０６ｒに対して磁束１１１ｒが示す方向に発生する．次に磁束１１１ｒは，ヨーク鉄心１０３ａを通り，Ｓ相とＴ相の磁脚へ流れ込む。Ｓ相とＴ相に発生する磁束１１１ｓ，１１１ｔについても電流方向１０６ｓ，１０６ｔに応じて磁束の方向が決まり，ヨーク鉄心１０３ｂを介してＲ相に流れる。図１７の状態であれば，磁気回路が閉じるため磁束が漏洩していない。

三脚鉄心の三相交流リアクトルの三相に直流電圧を印加した時の瞬時磁気回路を図１８に示す。各相の直流通電により発生する磁束１１２ｒ，１１２ｓ，１１２ｔは，電流の向き１０６ｒ，１０６ｓ，１０６ｔに応じて片側のヨーク鉄心（図１８では下ヨーク鉄心１０３ｂ）へ集中し，適当な磁路がないため，漏洩磁束１１４となって構造外へ磁気回路を形成する。この漏洩磁束１１４がノイズとなり，ＵＰＳの制御装置などを誤動作させる可能性がある。したがって，コンバータ前段の三相交流リアクトルにおいて，商用電源正常時の三相交流が形成する磁気回路上と，異常時の蓄電池放電が形成する磁気回路上で，漏洩磁束が生じないようにコンバータ前段のリアクトルを選定しなくてはならない。

次に，本実施例の特徴となる五脚鉄心として，図１１は，五脚鉄心の三相交流リアクトル１５における商用電源正常時の瞬時磁気回路図である。Ｒ相の交流電圧により１０６ｒの方向にＲ相電流が流れると，アンペールの右ネジの法則から，Ｒ相磁束は１０６ｒに対して磁束１１１ｒが示す方向に発生する．次に磁束１１１ｒは，ヨーク鉄心１０３ａを通り，Ｓ相とＴ相の磁脚へ流れ込む。Ｓ相とＴ相に発生する磁束１１１ｓ，１１１ｔについても電流方向１０６ｓ，１０６ｔに応じて磁束の方向が決まり，ヨーク鉄心１０３ｂを介してＲ相に流れる。図１１の状態であれば，磁気回路が閉じるため磁束が漏洩していない。

一方，異常時に，五脚鉄心の三相交流リアクトル１５の三相全てに直流電圧が印加された時の磁気回路図が図１２である。各相の直流通電により発生した磁束１１２ｒ，１１２ｓ，１１２ｔは，電流の向き１０６ｒ，１０６ｓ，１０６ｔに応じて片側のヨーク鉄心（図１２では下ヨーク鉄心１０３ｂ）へ集中する。集中した磁束は，下ヨーク鉄心１０３ｂを介して零相磁脚鉄心１０５ａと１０５ｂへ分流し，上ヨーク鉄心１０３ａまで流れて磁脚鉄心１０１ｒ，１０１ｓ，１０１ｔへ流入する。したがって，五脚鉄心の三相交流リアクトル１５の場合，三相全てに直流電圧が印加されても磁束漏洩が発生しない。

本発明第二の実施例について，図１３を用いて説明する。図１３では，四脚鉄心の三相交流リアクトルの三相全てに直流電圧を印加した場合の磁気回路図を示している。このように，四脚鉄心の三相交流リアクトルをコンバータ１１前段に配置しても，磁気回路が閉じるため，第一実施例と同様のＵＰＳを構成できる。

次に，本発明第三の実施例について，図１４を用いて説明する。コンバータ１１前段の五脚鉄心の三相交流リアクトル１５と，充放電チョッパ１３前段のリアクトル１６とを，一台のリアクトルに集約することも可能である。図１４は，六脚鉄心のリアクトルにおける商用電源異常時の磁気回路図である。磁脚鉄心１０１ｒ，１０１ｓ，１０１ｔにそれぞれコイル１０２ｒ，１０２ｓ，１０２ｔを巻回させて構成した三相コイルの出力端が，コンバータ１１に接続される。さらに，磁脚鉄心１０１ｋにコイル１０２ｋを巻回させて構成したコイルの出力端が，充放電チョッパ１３へ接続される。コイルを巻回させない零相用の磁脚鉄心として１０５ａ，１０５ｂを備え，全ての磁脚鉄心はヨーク鉄心１０３ａ，１０３ｂと接合される。商用電源異常時には，ヨーク鉄心に集中した磁束１１３の磁路として零相磁脚を活用する。このように，五脚鉄心の三相交流リアクトル１５とリアクトル１６とを，一台に集約して六脚鉄心のリアクトルを配置しても，第一実施例と同様のＵＰＳを構成できる。

本発明第四の実施例について，図１５を用いて説明する。図１５は，充放電チョッパを二並列化した実施形態における，商用電源正常時のＵＰＳ１の簡易回路図である。図７の充放電チョッパ１３を分割して並列させたチョッパ１３１ａ，１３１ｂの前段に，リアクトル１６１ａ，１６１ｂをそれぞれ配置する。蓄電池充電の時は，コンバータ１１で整流された直流電圧４が，チョッパ１３１ａで降圧されて，リアクトル１６１ａへ印加される。このとき，チョッパ１３１ｂのスイッチング素子３１，３２をＯＦＦ状態でゲートブロックしておく。正常時には，リアクトル１６１ａ，１６１ｂが直列接続するように切換スイッチ２５が動作するため，リアクトル１６１ａから放出される電磁エネルギーがリアクトル１６１ｂに流れ，１６１ｂに蓄積されたエネルギーが蓄電池１４へ供給される。本実施形態では，チョッパ１３１ａだけで直流電圧４を降圧するために，放電用スイッチ２６をＯＦＦしておく。蓄電池放電の時は，放電用スイッチ２６をＯＮするとともに，リアクトル１６１ａ，１６１ｂが並列するように切換スイッチ２５が切り換わるため，コンバータ１１の三相とチョッパ１３１ａと１３１ｂに放電電流が流れる。なお，チョッパ１３１ａ，１３１ｂの動作，ならびに切換スイッチ２５と放電用スイッチ２６のＯＮとＯＦＦは，上位制御回路２０１からの信号によって制御される。このような回路構成であれば，充電時と放電時の電流経路に応じてインダクタンス変更が可能となる。また，図１４で示したリアクトルのように，五脚鉄心の三相交流リアクトル１５と，リアクトル１６１ａおよび１６１ｂを一台のリアクトルに集約することもできる。

本発明第五の実施例について，図１６を用いて説明する。図１６には，商用電源電圧とスイッチ２１，２２，ならびにコンバータ１１，インバータ１２，充放電チョッパ１３の波形図が示されている。図１６の時刻ｔ０からｔ１までは商用電源正常時を示し，ｔ１以降は異常時を示す。本実施例では，時刻ｔ１からｔ３までの間，正常時にコンデンサ２０へ蓄えたエネルギーを電源としてインバータ１２へ給電する。これより，充放電チョッパ１３は蓄電池１４の充電機能のみを備えれば良いため，その回路構成が双方向チョッパから降圧チョッパへ簡略化される。すなわち，商用電源異常時には，コンバータ１１のみが蓄電池放電の昇圧を担う構成である。非定常電源側スイッチ２２がＯＮ状態となる時刻ｔ３以降は，コンバータ１１が昇圧回路として動作し，昇圧された直流電力がインバータ１２へ給電される。このときの給電量の関係は，Ｐ１＝Ｐ３である。本実施形態では，充放電チョッパ１３の２レベルハーフブリッジ回路３５の並列数を，充電電力７に合わせて決めることができ，装置がさらに小型化される。

１：無停電電源装置（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ−ｓｕｐｐｌｙ Ｓｙｓｔｅｍ，ＵＰＳ）
２：商用電源
３：負荷
４：直流電圧
５：三相交流電力
６：出力用フィルタ回路
７：充電電力
８：放電電力
１１：コンバータ
１２：インバータ
１３：充放電チョッパ
１４：蓄電池
１５：五脚鉄心の三相交流リアクトル
１６：リアクトル
２０：コンデンサ
２１：定常電源側スイッチ
２２：非定常電源側スイッチ
２３：蓄電池保護用スイッチ
２４：負荷側スイッチ
２５：切換スイッチ
２６：放電用スイッチ
３１：上アームのスイッチング素子
３２：下アームのスイッチング素子
３３：上アームの整流素子
３４：下アームの整流素子
３５：２レベルハーフブリッジ回路
４１ｒ：Ｒ相交流端子
４１ｓ：Ｓ相交流端子
４１ｔ：Ｔ相交流端子
４２ｕ：Ｕ相交流端子
４２ｖ：Ｖ相交流端子
４２ｗ：Ｗ相交流端子
４３：充放電チョッパ直流端子
１００：三脚鉄心の三相交流リアクトル
１０１ｋ：Ｋ相磁脚鉄心
１０１ｒ：Ｒ相磁脚鉄心
１０１ｓ：Ｓ相磁脚鉄心
１０１ｔ：Ｔ相磁脚鉄心
１０２ｋ：Ｋ相コイル
１０２ｒ：Ｒ相コイル
１０２ｓ：Ｓ相コイル
１０２ｔ：Ｔ相コイル
１０３ａ：上ヨーク鉄心
１０３ｂ：下ヨーク鉄心
１０４ｒ１：第一のＲ相接続端子
１０４ｒ２：第二のＲ相接続端子
１０４ｓ１：第一のＳ相接続端子
１０４ｓ２：第二のＳ相接続端子
１０４ｔ１：第一のＴ相接続端子
１０４ｔ２：第二のＴ相接続端子
１０５ａ：第一の零相磁脚鉄心
１０５ｂ：第二の零相磁脚鉄心
１０６ｋ：Ｋ相電流の方向
１０６ｒ：Ｒ相電流の方向
１０６ｓ：Ｓ相電流の方向
１０６ｔ：Ｔ相電流の方向
１０９：固定部品
１１１ｒ：交流通電時のＲ相磁束
１１１ｓ：交流通電時のＳ相磁束
１１１ｔ：交流通電時のＴ相磁束
１１２ｋ：直流通電時のＫ相磁束
１１２ｒ：直流通電時のＲ相磁束
１１２ｓ：直流通電時のＳ相磁束
１１２ｔ：直流通電時のＴ相磁束
１１３：ヨーク鉄心上の磁束
１１４：漏洩磁束
１１５：直流通電時の零相磁束
１３１ａ：第一のチョッパ
１３１ｂ：第二のチョッパ
１６１ａ：第一のチョッパ前段のリアクトル
１６１ｂ：第二のチョッパ前段のリアクトル
２０１：上位制御回路
２０２：コンバータ制御回路
２０３：インバータ制御回路
２０４：充放電チョッパ制御回路

Claims (4)

1. 三相交流電源からの電力を三相交流リアクトルを介して受けて直流に変換して直流端子に供給するコンバータと，
   前記直流端子に供給された直流電圧を平滑するコンデンサと，
   前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に電力を供給するインバータと，
   前記直流端子の電圧を降圧して蓄電池に充電或いは前記蓄電池の電圧を昇圧して前記直流端子に放電する充放電チョッパを有し，
   前記三相交流電源が異常状態の時に，前記充放電チョッパにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給すると共に，前記コンバータにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給するものであって，
   前記三相交流リアクトルは，前記三相の各々に対応する３つ巻線が巻回される３つの鉄芯と，前記３つの鉄心が一方側で接続される一方側ヨーク鉄心と，前記３つの鉄心が他方側で接続される他方側ヨーク鉄心と，前記一方側ヨーク鉄心と前記３つの鉄心の各々とを接続する第４の鉄心を有し，
   前記三相交流電源が異常状態の時に，前記３つの鉄心は，いずれも，同一方向に磁束が流れることを特徴とする無停電電源装置。
2. 三相交流電源からの電力を三相交流リアクトルを介して受けて直流に変換して直流端子に供給するコンバータと，
   前記直流端子に供給された直流電圧を平滑するコンデンサと，
   前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に電力を供給するインバータと，
   前記直流端子の電圧を降圧して蓄電池に充電或いは前記蓄電池の電圧を昇圧して前記直流端子に放電する充放電チョッパを有し，
   前記三相交流電源が異常状態の時に，前記充放電チョッパにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給すると共に，前記コンバータにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給するものであって，
   前記三相交流リアクトルは，前記三相の各々に対応する３つ巻線が巻回される３つの鉄芯と，前記３つの鉄心が一方側で接続される一方側ヨーク鉄心と，前記３つの鉄心が他方側で接続される他方側ヨーク鉄心と，前記一方側ヨーク鉄心と前記３つの鉄心の各々とを接続する第４の鉄心を有し，
   前記蓄電池の電力を前記コンバータに供給する切換手段を有し，前記切換手段の切換時間は，前記インバータへ前記インバータの定格電力の供給を，前記チョッパで可能とし，切換後は該チョッパの放電電力を該チョッパの連続定格以下に制限する制御装置を有することを特徴とする無停電電源装置。
3. 三相交流電源からの電力を三相交流リアクトルを介して受けて直流に変換して直流端子に供給するコンバータと，
   前記直流端子に供給された直流電圧を平滑するコンデンサと，
   前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に電力を供給するインバータと，
   前記直流端子の電圧を降圧して蓄電池に充電或いは前記蓄電池の電圧を昇圧して前記直流端子に放電する充放電チョッパを有し，
   前記三相交流電源が異常状態の時に，前記充放電チョッパにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給すると共に，前記コンバータにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給するものであって，
   前記三相交流リアクトルは，前記三相の各々に対応する３つ巻線が巻回される３つの鉄芯と，前記３つの鉄心が一方側で接続される一方側ヨーク鉄心と，前記３つの鉄心が他方側で接続される他方側ヨーク鉄心と，前記一方側ヨーク鉄心と前記３つの鉄心の各々とを接続する第４の鉄心を有し，
   前記充放電チョッパは二個以上並列して構成され，
   該チョッパの各前段に接続される単相リアクトルと，
   前記蓄電池の充電時と放電時で電流経路を変える切換手段を設け，
   充電時と放電時で電流経路のインダクタンスを変更することを特徴とする無停電電源装置。
4. 三相交流電源からの電力を三相交流リアクトルを介して受けて直流に変換して直流端子に供給するコンバータと，
   前記直流端子に供給された直流電圧を平滑するコンデンサと，
   前記平滑された直流電圧を交流電圧に変換して負荷に電力を供給するインバータと，
   前記直流端子の電圧を降圧して蓄電池に充電或いは前記蓄電池の電圧を昇圧して前記直流端子に放電する充放電チョッパを有し，
   前記三相交流電源が異常状態の時に，前記充放電チョッパにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給すると共に，前記コンバータにより前記蓄電池からの電力を昇圧して前記直流端子に供給するものであって，
   前記三相交流リアクトルは，前記三相の各々に対応する３つ巻線が巻回される３つの鉄芯と，前記３つの鉄心が一方側で接続される一方側ヨーク鉄心と，前記３つの鉄心が他方側で接続される他方側ヨーク鉄心と，前記一方側ヨーク鉄心と前記３つの鉄心の各々とを接続する第４の鉄心を有し，
   前記蓄電池の電力を前記コンバータに供給する切換手段を有し，
   前記切換手段の切換時間は，前記インバータへ前記インバータの定格電力の供給を，前記コンデンサで可能とし，
   前記充放電チョッパの連続定格が蓄電池を充電する電力に応じて決まることを特徴とする無停電電源装置。