JPH0638408A - 交流無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 交流無停電電源装置において、自家発電装置
を電源として運転する場合の動作特性を確実安定なもの
にするとともに、自家発電装置の簡便化低コスト化を実
現する。 【構成】 自家発電装置１７は、原動機１８とこの原動
機１８と直結して駆動される交流発電機１９とこの交流
出力を整流してインバータ１２に出力するダイオードコ
ンバータ２０とから構成される。回転コントローラ２４
はインバータ１２の出力電流に応じて原動機１８のガバ
ナ２５を調整することにより交流発電機１９の回転数を
制御して所望の直流出力をインバータ１２に供給する。 【効果】 装置の負荷率に応じて交流発電機１９の回転
数が低下しその分運転コストや騒音が低減するとともに
寿命が増大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はコンピュータ等に良質
で安定した電源を供給する交流無停電電源装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】高度情報化社会の進展に伴い、コンピュ
ータを始めＯＡ機器、ＦＡ機器、通信放送機器等が増々
広範囲に使用されるようになってきた。そして、これら
機器には極めて高い信頼性が要請され、その電源として
は安定でしかも歪のないいわゆるクリーンな電力が必要
となる。

【０００３】この要請を担うものが交流無停電電源装置
であり、ＣＶＣＦ（Constant Voltage Constant Freque
ncy）や、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）と
も呼ばれているが、ここでは適宜、単に電源装置と略称
するものとする。

【０００４】図２は代表的なこの種従来の電源装置の構
成を示すブロック回路図である。図において、１は例え
ば６０Ｈ_Z，１００Ｖの商用電源、２は後述するよう
に、商用電源１が長時間にわたって停止したときに本電
源装置の電源となる自家発電装置で、原動機３とこの原
動機３と直結して駆動される交流発電機４とから構成さ
れている。５は商用電源１と自家発電装置２との切替を
行う電源切替スイッチ、６は制御整流素子であるサイリ
スタ素子７をブリッジ接続して構成されたコンバータ、
８および９はコンバータ６の出力電流、電圧を平滑化す
るリアクトルおよびコンデンサで、コンバータ６の出力
端１０に接続されている。

【０００５】１１は出力端１０に接続されたバッテリ
で、商用電源１が停止した直後の短時間（通常１０分間
程度）、本電源装置の電源となる。１２はスイッチング
素子であるパワートランジスタ１３をブリッジ接続して
構成されたインバータで、ここでは出力端１０からの直
流入力をいわゆるＰＷＭ制御により周波数、電圧が高精
度に安定した交流出力に変換し負荷１４へ供給する。

【０００６】１５は位相制御回路で、交流入力電圧を入
力してその位相を基準に、直流出力電圧を所定の値に保
つようコンバータ６のサイリスタ素子７へ点弧信号を送
出する。１６はＰＷＭ制御回路で、直流入力電圧に対し
て所定の交流出力を得るようインバータ１２のパワート
ランジスタ１３にベース電流を送出する。

【０００７】次に動作について説明する。先ず、商用電
源１が正常に供給されている平常時においては、電源切
替スイッチ５は図示のように、スイッチ５ａが閉、スイ
ッチ５ｂが開の状態にあり、商用電源１からの交流入力
はコンバータ６で直流出力に変換され更にリアクトル８
およびコンデンサ９によりその平滑化が行われる。この
場合、商用電源１からの電圧は通常±１０％程度の範囲
で変動するが、位相制御回路１５によりその直流出力電
圧は後段のインバータ１２の動作性能に支障のないわず
かの変動範囲内に収まるよう制御される。

【０００８】インバータ１２は出力端１０からの直流入
力を変換して高品質の交流出力をコンピュータ等の負荷
１４に供給する。交流出力電圧としては、例えば１００
Ｖ±２％程度、また周波数としては、例えば５０／６０
Ｈ_Z±０．１％程度の高品質交流電源が得られる。バッ
テリ１１は出力端１０に接続されているので、充電状態
であるが、インバータ１２はもっぱらコンバータ６から
の直流電力を変換して出力することになる。

【０００９】次に、商用電源１が停止、即ち停電となっ
た場合の動作について説明する。商用電源１の電圧が零
になったのを検出して電源切替スイッチ５ａを開とす
る。これによって、出力端１０からの直流入力はもっぱ
らバッテリ１１のみに依存することになるが、インバー
タ１２はこのバッテリ１１の出力を直流入力として平常
時と同様の動作を継続して所定の交流出力を発生する。

【００１０】商用電源１の電圧低下と同時に原動機３を
始動し、自家発電装置２として運転開始に必要な一連の
動作に入る。交流発電機４の出力電圧が定格レベルに達
すると電源切替スイッチ５ｂを投入し、以後自家発電装
置２を使用することを除けば平常時と同様にコンバータ
６およびインバータ１２を経て所定の交流出力を負荷１
４に継続して供給する。従って、負荷１４側から見れば
完全な無停電電源となる訳である。なお、この自家発電
装置２を回路へ投入できる迄の時間として１０分程度が
必要となり、この時間を考慮してバッテリ１１の必要容
量が設定されている。

【００１１】なお、自家発電装置２による運転中におけ
る負荷１４の変動に対しては、自家発電装置２に内蔵さ
れたＡＶＲ（自動電圧調整器）が動作して交流発電機４
の界磁や原動機３のガバナを制御し交流発電機４の出力
電圧、周波数を所定の範囲に保つ。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の交流無停電電源
装置は以上のように構成されているので、特に、商用電
源１が停止して自家発電装置２を電源として運転を継続
する場合に以下に示す問題点が存在する。即ち、コンバ
ータ６はその交流入力電圧がかなり変動してもほぼ一定
の直流電圧を出力することができるよう、サイリスタ素
子７を使用してその位相制御を行う方式を採用してい
る。この結果、この位相制御に伴う高調波電流成分が定
電流源となって交流系に流出することになる。ここで、
コンバータ６が商用電源１に接続されている場合は、本
電源装置の容量に比較して商用電源１の短絡容量が非常
に大きいので、上記高調波電流成分の流出による交流電
圧の歪はほとんどなく問題は生じない。

【００１３】しかるに、コンバータ６が自家発電装置２
を電源として動作している場合、本電源装置の容量に比
較して交流発電機４の容量がほぼ同程度ないしはそれに
近い大きさであるので、上記したコンバータ６からの高
調波電流成分によって交流電圧が大きく歪みこの交流発
電機４の交流出力電圧を検出してその位相を基準にサイ
リスタ素子７へ点弧信号を送出する位相制御回路１５の
動作に支障を来たすことになる。このため、交流発電機
４の容量を大きくしたり特別の歪対策を施すことが考え
られるが、いずれも装置の大形化、コスト高を招くこと
になる。

【００１４】この発明は以上のような問題点を解消する
ためになされたもので、比較的低コストでしかも安定し
た性能が得られる交流無停電電源装置を得ることを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段および作用】この発明の請
求項１に係る交流無停電電源装置は、その自家発電装置
を、原動機で駆動される交流発電機と、ダイオード素子
からなり交流発電機の交流出力を整流してインバータに
出力するダイオードコンバータとから構成したものであ
る。

【００１６】この場合、商用電源が停止しバッテリによ
る継続運転許容時間が経過すると、自家発電装置のダイ
オードコンバータからの直流出力が直接インバータの入
力として送出される。

【００１７】この発明の請求項２に係る交流無停電電源
装置は、更に上記交流発電機を他励式とし、自家発電装
置の運転時、バッテリから上記交流発電機の界磁コイル
に電流を供給するとともに、インバータの出力に応じて
原動機のガバナを調整することにより上記交流発電機の
出力を制御するようにしたものである。

【００１８】ここでは、交流発電機はバッテリからの電
流で励磁される一定界磁方式となり、その出力はもっぱ
ら原動機のガバナにより制御する。この結果、インバー
タの出力に応じた直流出力をバッテリへ送出するために
は、交流発電機の回転数、従ってその交流出力の周波数
は変動することになる。

【００１９】

【実施例】図１はこの発明の一実施例による電源装置の
構成を示すブロック回路図である。但し、従来と同一ま
たは相当部分については同一符号を付して重複する説明
は省略するものとする。１７はこの発明に係る自家発電
装置で、原動機１８と、この原動機１８と直結して駆動
される交流発電機１９と、この交流発電機１９の出力側
に接続されたダイオード素子からなるダイオードコンバ
ータ２０とから構成されている。２１は交流発電機１９
の界磁コイルでスイッチ２２を介して出力端１０に接続
されている。また、ダイオードコンバータ２０の直流出
力側はスイッチ２３を介して出力端１０に接続されてい
る。２４はインバータ１２の出力電流（負荷電流）に応
じて原動機１８のガバナ２５を調整して交流発電機１９
の回転数を制御する回転コントローラである。２６はバ
ッテリ１１の出力側に挿入されたダイオードである。

【００２０】次に動作について説明する。商用電源１が
正常に供給されている平常時は、電源切替スイッチ５が
閉、スイッチ２２，２３が開の状態で、従来と全く同一
の動作でインバータ１２から所定の交流電圧、電流が出
力される。

【００２１】次に、商用電源１が停止すると、コンバー
タ６の直流出力電圧が低下し、コンバータ６の定格出力
電圧よりは多少低く設定されているバッテリ１１の出力
電圧以下に降下すると、出力端１０へはそれまでのコン
バータ６に替わってバッテリ１１からの直流電圧が供給
され、インバータ１２はバッテリ１１を電源として運転
を継続する。

【００２２】商用電源１の電圧低下と同時に電源切替ス
イッチ５を開、スイッチ２２を閉とするとともに、原動
機１８を始動し、交流発電機１９を例えば２０００ＲＰ
Ｍ程度の定格回転数まで立ち上げ所定の電圧が得られた
時点でスイッチ２３を投入して自家発電装置１７からイ
ンバータ１２へ電源を供給する。停電からこのスイッチ
２３投入までの時間をバッテリ１１の容量との協調から
例えば１０分程度以内に設定する必要がある点は従来と
同様である。

【００２３】自家発電装置１７を回路に投入した後は、
回転コントローラ２４が動作してその制御を行う。即
ち、回転コントローラ２４はインバータ１２の出力電流
（負荷電流）を入力し、予め定められた制御特性に基づ
き、出力電流の増減に対応して原動機１８のガバナ２５
を調整する。出力電流が増大すると、それに伴ってイン
バータ１２の入力電圧は低下しようとするので、回転コ
ントローラ２４はガバナ２５に回転上昇の信号を送出し
交流発電機１９の出力電圧を上昇させる方向に制御す
る。逆に、出力電流が減少すると、回転コントローラ２
４はガバナ２５に回転下降の信号を送出し交流発電機１
９の出力電圧を下降させる方向に制御する。この間、界
磁コイル２１に供給される電流はほぼ一定に保たれてい
る。

【００２４】このように、交流発電機１９の出力電圧を
もっぱらガバナ２５の調整に基づく回転数の制御で行う
方式としているので、結果として、インバータ１２の出
力電流に応じて交流発電機１９の回転数、従ってその出
力電圧の周波数が変動することになる。しかし、この発
明に係る電源装置においては、交流発電機１９の出力は
ダイオードコンバータ２０で整流された直流電力の形で
のみ使用されるので、上記した周波数の変動自体は何ら
問題とはならない訳である。むしろ、利点をもたらすこ
とになり、以下この点について説明する。

【００２５】この種交流無停電電源装置の定格容量は予
想される負荷容量の１．５〜２倍程度に設定されるのが
一般的である。従って、この電源装置の稼動時の負荷率
は５０〜７５％程度となる。この結果、上記制御方式を
採用するこの発明の実施例においては、その交流発電機
はほとんど定格値よりも低い回転数で運転されることに
なり、その分、原動機の燃料消費量が少なくなるととも
に、平均的な騒音値も低下し、回転部分をはじめ機械系
の寿命も増大する。

【００２６】これに対し、既述した従来方式における自
家発電装置においては、内蔵のＡＶＲにより、インバー
タの出力電流にかかわらず交流発電機を常に定格回転数
で運転し、界磁を調整してその出力電圧を制御すること
としているので、上記したこの発明の利点は存在し得な
い。逆にこの発明の自家発電装置においては、ＡＶＲが
不要となって、発電機としての構成も更に簡便となる。

【００２７】なお、上記実施例の説明では、回転コント
ローラ２４はインバータ１２の出力電流に基づいてガバ
ナ２５を制御するようにしたが、図１に点線で示したよ
うに、ダイオードコンバータ２０の出力電圧を検出しこ
の電圧を一定に保つようにガバナ２５を制御するように
してもよい。前述したように、インバータ１２の出力電
流の増減に追随して出力端１０の電圧、従ってダイオー
ドコンバータ２０の出力電圧が変動しようとするので、
ダイオードコンバータ２０の出力電圧に基づき制御して
も実質的にインバータの出力電流に応じて制御すること
になるからである。

【００２８】また、図１の実施例では交流発電機１９の
界磁コイル２１へはバッテリ１１から電流を供給する
（交流発電機１９が立上ってスイッチ２３が投入された
後はダイオードコンバータ２０から電流を供給する）方
式としているが、別途の電源から供給する方式としても
よい。

【００２９】

【発明の効果】この発明に係る交流無停電電源装置は以
上のように、その自家発電装置を所定の原動機、交流発
電機、およびダイオードコンバータで構成するようにし
たので、従来自家発電装置を電源とする運転状態におい
て発生した、電圧歪に基づき動作が不安定になるという
問題が解消され、その交流発電機もインバータの容量に
相当する容量のもので足り自家発電装置としてのコスト
が低くなる。

【００３０】更に、自家発電装置の運転時、バッテリか
ら上記交流発電機の界磁コイルに電流を供給するととも
に、インバータの出力に応じて原動機のガバナを調整す
ることにより交流発電機の出力を制御する構成とした場
合には、装置の負荷率に応じて交流発電機の回転数が低
下しその分運転コストや騒音が低減するとともに寿命が
増大する。また、自家発電装置としても複雑な自動電圧
調整器が不要となって構成が簡便となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による交流無停電電源装置
の構成を示すブロック回路図である。

【図２】従来の交流無停電電源装置の構成を示すブロッ
ク回路図である。

【符号の説明】

１は商用電源、６はコンバータ、７は制御整流素子とし
てのサイリスタ素子、１０はコンバータの出力端、１１
はバッテリ、１２はインバータ、１４は負荷、１５は位
相制御回路、１７は自家発電装置、１８は原動機、１９
は交流発電機、２０はダイオードコンバータ、２１は界
磁コイル、２４は回転コントローラ、２５はガバナであ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用電源が入力されているときこの商用
   電源からの交流入力を所定の直流出力に変換する制御整
   流素子からなるコンバータ、このコンバータの出力端に
   接続されたバッテリ、上記出力端からの直流入力を所定
   の交流出力に変換するインバータ、および自家発電装置
   を備え、上記商用電源が停止したとき上記バッテリの出
   力を電源として上記インバータを継続運転し、上記停止
   が所定時間を超えると上記自家発電装置の出力を基に上
   記インバータを継続運転するようにした交流無停電電源
   装置において、 上記自家発電装置を、原動機で駆動される交流発電機
   と、ダイオード素子からなり上記交流発電機の交流出力
   を整流して上記インバータに出力するダイオードコンバ
   ータとから構成したことを特徴とする交流無停電電源装
   置。
2. 【請求項２】 交流発電機を他励式とし、自家発電装置
   の運転時、バッテリから上記交流発電機の界磁コイルに
   電流を供給するとともに、インバータの出力に応じて原
   動機のガバナを調整することにより上記交流発電機の出
   力を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載
   の交流無停電電源装置。