JPH0670489A - 無停電電源装置 - Google Patents

無停電電源装置

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JPH0670489A
JPH0670489A JP4234281A JP23428192A JPH0670489A JP H0670489 A JPH0670489 A JP H0670489A JP 4234281 A JP4234281 A JP 4234281A JP 23428192 A JP23428192 A JP 23428192A JP H0670489 A JPH0670489 A JP H0670489A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 交流から直流に変換する入力変換部に、直流
から交流に変換する機能を持たせたことによって、万一
交流電源の停電中は装置内に設けた直流電圧のエネルギ
ー源からの直流を交流に変換して交流電源側の負荷に給
電することができ、交流電源側の負荷に対しても無停電
で電力を供給すること。 【構成】 商用負荷5に給電している交流電源1に接続
し、受電した電力を直流電力に変換する入力変換部3
と、この変換した直流電力を交流に再変換する出力変換
部4ACとからなり、変換負荷7ACに給電する装置に
おいて、前記出力変換部の入力側に直流電気エネルギー
源Bを設け、入力変換部3は交流から直流への変換機能
と直流から交流への変換機能とを有し、かつ前記入力変
換部の制御装置430は電流制御機能と電圧制御機能と
の両機能を備えており、交流電源からの給電中は制御装
置430は入力変換部を電流制御機能によって電流波形
を制御し、また交流電源の停電中は電圧制御機能によっ
て直流電気エネルギー源の出力を交流電力に変換して入
力側に対して定電圧で出力する無停電電源装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は入力部に交流−直流間の
両方向の電力変換機能を備えた無停電電源装置(以下U
PSという)および整流装置に関するものである。詳し
くは、交流電源の停電時にバッテリー等からの直流電力
を交流電力に変換して出力側にも、また入力側にも出力
するUPSおよび整流装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図7は交流の無停電電源(UPS)の従
来例を示す。なお、例を単相回路にとっているが、三相
回路も同様に使われている。UPS34は入力変換部
3,バッテリーB,交流の出力変換部(以下、インバー
タという)4ACからなる。30,40Aはそれぞれ入
力変換部および出力変換部の制御装置である。入力変換
部3は半導体スイッチング素子(以下、トランジスタと
いう)とダイオードを逆並列に接続したスイッチS1
4 で構成したブリッジ回路,リアクタLIN,コンデン
サCからなる。PTINは交流電源の電圧をセンシングす
るトランスである。CTは入力電流をセンシングする電
流トランスである。出力変換部4ACはトランジスタと
ダイオードとを逆並列に接続したスイッチS5 〜S8
構成したブリッジ回路、リアクタLACとコンデンサCAC
からなる交流フィルタ、出力トランスTからなる。PT
OUT は出力電圧をセンシングするトランスで、7ACは
変換負荷である。
【0003】次に動作を説明する。スイッチS1 〜S4
からなるブリッジ回路は交流電源の電圧を整流してコン
デンサC,バッテリーBを充電するとともにインバータ
4ACに給電する。単に整流するだけであればスイッチ
1 〜S4 はダイオードだけで機能が果たせる。ダイオ
ードと逆並列に接続されているトランジスタは入力の電
流の波形を制御するために設けている。その目的とする
ところは、装置の入力電流を交流電源の電圧と同相の正
弦波形とすることによって力率を1とし、また高調波の
発生を抑えることにある。交流電源側からみるとUPS
は等価的に純抵抗と同じになり理想的な負荷になる。電
源波形制御の機構を次に説明する。例えば、交流電源1
の極性が図7のときにスイッチS2 のトランジスタをオ
ンさせると、交流電源1の電圧の全てがスイッチS2
トランジスタ、スイッチS4 のダイオードをつくるルー
プでリアクタLINに印加され、これに流れる電流によっ
て電磁エネルギーが蓄えられる。次にスイッチS2 のト
ランジスタをオフさせると、リアクタLINの電流はスイ
ッチS1 ,S4 のダイオードを通して流れコンデンサC
側にエネルギーが放出される。このエネルギー放出時の
交流電源1とリアクタLINの電圧が図示の極性となり、
両者の和の電圧でコンデンサCが充電される。従って、
コンデンサCの電圧は交流電源1の電圧のピーク値以上
のレベルにまで充電される(スイッチS1 〜S4がダイ
オードのみで構成されている場合にはコンデンサCの電
圧は交流電源1のピーク値以上には高くならない)。リ
アクタLINに流れる電流の大きさ(従って、蓄えられる
電磁エネルギーの大きさ)は各スイッチを構成するトラ
ンジスタのオン・オフの時間比を変えることによって調
整できるので、この機構を使ってリアクタLINに流れる
電流の波形を正弦波状にする。制御装置30はトランス
PTINからの正弦波電圧信号SGE を基にして正弦波の
基準信号をつくり、電流トランスCTから得た入力電流
信号SGI を基準信号に追従するように、つまり電流が
正弦波形になるようにスイッチS1 〜S4 を制御する。
なおコンデンサCの電圧ECをフィードバックして電圧
ECを一定に保つように基準信号の振幅を制御する。イ
ンバータ4ACでは、ブリッジ回路を構成するスイッチ
(S5 〜S6 )のスイッチング動作によってX,Yに交
流電圧を得、さらにLAC,CACによって構成した交流フ
ィルタで電圧波形を正弦波に整形して変換負荷7ACに
給電する。交流電源1が停電した場合にはバッテリーB
の放電電力をインバータ4ACで変換して変換負荷7A
Cに給電する。変換負荷7ACは無停電で給電を受け
る。40Aはインバータ4ACのスイッチS5 〜S6
制御する信号を得る制御装置で、インバータの出力電圧
をトランスPTOUT を介して信号SGOUT として取り出
し、これを基に変換負荷7ACへの給電電圧が一定にな
るように制御信号を発生する。交流電源が停電している
期間のUPS34はインバータ4ACが稼働しているの
みで入力変換部3は休業状態にある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
改善するために提案されたもので、その目的は、入力変
換部を交流電源の停電時にも活用し、UPSの給電能力
を増すことにある。すなわち、UPSの本来の負荷に給
電すると同時にUPSの入力変換部をインバータとして
活用して商用負荷へ給電することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は商用負荷に給電している交流電源に接続
し、受電した電力を直流電力に変換する入力変換部と、
前記の変換した直流電力を交流に再変換する出力変換部
とからなり、変換負荷に給電する装置において、前記出
力変換部の入力側に直流電気エネルギー源を設け、前記
入力変換部は交流から直流への変換機能と直流から交流
への変換機能とを有し、かつ前記入力変換部の制御装置
は電流制御機能と電圧制御機能との両機能を備えてお
り、交流電源からの給電中は前記制御装置は入力変換部
を電流制御機能によって電流波形を制御し、また交流電
源の停電中は電圧制御機能によって直流電気エネルギー
源の出力を交流電力に変換して入力側に対して定電圧で
出力することを特徴とする無停電電源装置を発明の要旨
とするものである。さらに、本発明は商用負荷に給電し
ている交流電源に接続し、受電した電力を直流電力に変
換する入力変換部と、前記の変換した直流電力を直流に
再変換する出力変換部とからなり、変換負荷に給電する
装置において、前記出力変換部の入力側に直流電気エネ
ルギー源を設け、前記入力変換部は交流から直流への変
換機能と直流から交流への変換機能とを有し、かつ前記
入力変換部の制御装置は電流制御機能と電圧制御機能と
の両機能を備えており、交流電源からの給電中は前記制
御装置は入力変換部を電流制御機能によって電流波形を
制御し、また交流電源の停電中は電圧制御機能によって
直流電気エネルギー源の出力を交流電力に変換して入力
側に対して定電圧で出力することを特徴とする直流出力
の無停電電源装置を発明の要旨とするものである。
【0006】
【作用】本発明においては交流から直流に変換する入力
変換部に、直流から交流に変換する機能を持たせたこと
によって、万一交流電源の停電中は装置内に設けた直流
電圧のエネルギー源からの直流を交流に変換して交流電
源側の負荷に給電することができ、交流電源側の負荷に
対しても無停電電源装置を構成することができる。
【0007】次に本発明の原理について説明する。図7
の回路構成で、入力変換部3と出力変換部(インバー
タ)4ACを比較してみると構成が異なるのはフィルタ
のコンデンサCACの有無だけである(トランスTの存在
は本質的ではない)。入力変換部3の入力端にコンデン
サを挿入すると両者は同じ構成になる。制御装置は入力
変換部用の30が電流を制御の対象としているのに対し
てインバータ用の40Aは電圧を対象にしている。従っ
て、入力変換部にフィルタ用のコンデンサCINを挿入
し、制御装置を電圧制御用に代えるだけで入力変換部3
をインバータとしても使える。UPSが備えているエネ
ルギー源が十分に大きければ、例えば、バッテリーBに
代えて燃料電池のようなエネルギー源を備えていれば、
交流電源1が停電している期間に、交流電源から給電を
受けていた負荷にもUPSから入力系統を通じて長時間
の給電が出来る。また、UPSのエネルギー源が太陽電
池であれば、昼間の太陽電池からのエネルギーが十分に
得られる間にはこのエネルギーを変換して変換負荷に給
電するとともに交流電源(商用電力系統)側へ電力を送
り、夜間、太陽電池からのエネルギーがない間にUPS
は商用電力系統から受電した電力を再変換して変換負荷
に給電することもできる。
【0008】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図1
は本発明の無停電電源装置を示す。図において、1は交
流電源、2はスイッチ、3は入力変換部、4ACは出力
変換部(インバータ部)、40A,430は制御装置、
5は商用負荷、7ACは変換負荷、Bはバッテリー、S
1 〜S8 はスイッチ、LINはリアクタ、Cはコンデン
サ、Tはトランス、PTINはトランス、PTOUT はトラ
ンス、LACはリアクタ、CACはコンデンサ、SGE は正
弦波電圧信号、SG1 は入力電流信号を示す。
【0009】交流電源が停電すると一般のUPS34
(図7参照)では、バッテリーBの電力を変換して負荷
7ACに給電するインバータ部4ACのみが稼働して入
力変換部3は休業状態にある。本実施例では、交流電源
停電中の入力変換部3を活用して、バッテリーBの直流
電力を交流に変換して交流電源側の商用負荷5に給電す
る。入力変換部3の入力端にコンデンサCINを置くとコ
ンデンサCを中心にして回路構成が左右対称になる。つ
まり入力変換部3の構成はインバータ部4ACと同じに
なる。従って、入力変換部3はインバータとしても機能
し得る。これがUPS34Aである。次に動作について
説明すると、交流電源1が正常で給電している期間に
は、入力変換部3は整流器として機能し、交流電源1の
電力を電流波形が正弦波になるように電流制御しながら
受電する。交流電源1が停電したときには入力変換部3
の制御を電流制御から電圧制御に切り替え、スイッチ2
で交流電源側を切り離して商用負荷5に定電圧の交流電
力を給電する。変換負荷7ACに対しては従来のUPS
34と同様に、交流電源が給電している期間にも、また
停電している期間にも連続して給電する。UPSの入力
変換部3の電力容量より商用負荷の需要が大きい場合に
は、数多くある商用負荷から重要な負荷をスイッチで選
別出来るようにしておき、これだけにしぼって給電す
る。バッテリーBに代わって太陽電池や燃料電池等のエ
ネルギー変換器を使うと、交流電源の停電期間中におけ
るUPS34Aの給電可能時間を長くすることができ
る。
【0010】次にインバータ4ACを制御する信号を発
生する制御装置40Aを説明する。図2は制御装置40
Aのブロック構成を示し、図3の(a)〜(e)は各ブ
ロックの信号の関係を示している。(a)は信号VREF
とSGOUT を示し、(b)はSTとSAとを示し、
(c)はSCを示し、(d)はスイッチS5 ,S8 の操
作信号を示し、(e)はスイッチS6 ,S7 の操作信号
を示す。信号VREF はインバータ4ACの出力電圧のレ
ベルと周波数を決める正弦波の基準信号である。Aは誤
差増幅器でVREF とインバータ4ACの出力電圧に対応
した信号SGOUT とを比較して両者の差に対応した信号
SAを出力する。STは高周波の三角波形電圧信号であ
る。この周波数はインバータ4ACのスイッチS5 〜S
8 のスイッチング周波数を決める。COMはコンパレー
タで信号SAとSTを比較してSAの絶対値がSTの絶
対値を越えている期間に信号をだし、他の期間にはゼロ
レベルとなるパルス幅制御(以後、PWMという)の信
号を出す。SCがこのPWM信号である。Dはパルスの
分配器である。PA5 〜PA8 は分配器Dからの信号を
増幅してそれぞれスイッチS5 〜S8 に与える制御信号
をつくる。PA5 〜PA8 とDとの間は光信号で伝送す
るホトカプラを使い直流的に絶縁する。SCの正のパル
スを増幅してスイッチS5 ,S8 に与えこれをオンさせ
る。またSCの負のパルスを増幅してスイッチS6 ,S
7 に与えてこれをオンさせる。信号SGOUT のレベルが
下がればこれを増加するような制御信号をスイッチS5
〜S8 にだし、またレベルが上がればこれを減少させる
ような制御信号をだして、つまりフィードバック制御し
てインバータ4ACの出力電圧を一定に維持する。
【0011】次に入力変換部3を制御する制御装置43
0について説明する。図4はブロック構成である。図5
(a)〜(f)は各信号間の関係を示す。(a)は信号
S を示し、(b)は信号SA10を示し、(c)は信号
SGE を示し、(d)は信号SGEOを示し、(e)は信
号SGI を示し、(f)は信号SA20を示す。制御装置
430は電流制御部CCと電圧制御部VCからなり、こ
のうち電圧制御部VCは図2と同じ構成である。電流制
御部CCについて説明する。入力変換部3の出力直流電
圧であるコンデンサCの電圧EC と直流の基準電圧E
REF とを誤差増幅器A10で比較増幅して信号SA10をう
る。EREF >EC であればSA10はEREF より高いレベ
ルになり、EREF <EC であればSA10はEREF より低
いレベルになる。両信号が等しければSA10はEREF
等しくなる。交流電源1の電圧を、これに同期した正弦
波の基準電圧信号SGE として使う。この信号SG
E (I×sinωt)と信号SA10(信号レベルをES
とする)を乗算器Mに入力してSA10に対応した振幅を
もつ正弦波の信号SGEO(ES ×sinωt)を得る。
信号SGEOと入力電流に対応した信号SG1 とを誤差増
幅器A20に加え、その差に対応した信号SA20を得る。
信号SA20と三角波信号STとをコンパレータCOM10
に加えてPWM信号SC10を得る。図5の入力電流の基
準をつくる信号SGE (sinωtとする)は、入力変
換部3の入力電流の制御用に使い、交流電源の給電中に
入力変換部をインバータとして動作させる場合には信号
SGE を極性反転(すなわち−sinωtとして)させ
て出力電流を制御するように変える。UPSからみて入
力時は(電圧×電流)は正に、また出力時は負となる。
電圧制御部VCにフィードバックする電圧の信号は入力
変換部3の入力部の電圧、すなわちSGE を使う。停電
している期間にスイッチ2(図1)をオフにすると信号
SGE は入力変換器がインバータとして出力する正弦波
定電圧定周波数の交流電圧に対応した信号となる。電子
スイッチDSは交流電源1が給電している期間には電流
の信号SC10を通し、停電している期間には電圧の信号
SC11を通す。パルスの分配器Dは信号SC10またはS
11を受けて分配し、さらに絶縁用増幅器PA1 〜PA
4 でスイッチS1 〜S4 をオン・オフ制御する信号を得
る。
【0012】図6に本発明の第2の実施例を示す。図1
の交流の出力変換部、すなわちインバータ4ACに代わ
って直流の出力変換回路4DC(以後DC−DCコンバ
ータという)を組み合わせると直流電圧が得られる。ブ
リッジ回路の交流端子X,YにトランスTの1次巻線を
接続して、その2次巻線の出力電圧をブリッジ整流回路
REC で整流し、さらに平滑フィルタLDC,CDCを通し
てリップル電圧の少ない直流電圧を得る。これを直流の
変換負荷7DCに給電する。なお、ブリッジ回路を構成
するスイッチS5 〜S8 の変換周波数を高周波、例えば
20kHz以上に高めれば、トランスT,平滑フィルタ
DC,CDCを大幅に小型化することができるし、また、
騒音をなくすことができる。入力変換部は図1の例と同
じである。
【0013】電気エネルギー源として、例えば太陽電池
を使った場合、交流電源の給電中も入力変換部はインバ
ータとして機能させて、太陽電池のエネルギーに余力が
あれば、これを入力側に出力することが出来る。この場
合、入力変換部は電流制御の状態で機能する。入力電流
の基準信号をつくる信号SGE の極性を図5(c)に示
されている破線の信号(−sinωt)を使う。これに
依って出力電流を制御する(実線の信号では入力電流を
制御することになる。)。これまでの実施例では入力変
換部も、出力変換部も共に単相回路を使って説明してき
たが、三相回路も一般に使われているように同様に扱え
る。また、半導体スイッチとしてバイポーラ・トランジ
スタを例にあげて説明してきたが他のパワーMOS/F
ET,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor
)等の素子も同様に使える。
【0014】
【発明の効果】交流電源の給電を受けてこれを一旦直流
電圧に変換し、再度、交流あるいは直流に変換して無停
電で給電する電源において、交流電源が停電すると、従
来の電源では入力の変換部は機能を停止してしまう。こ
れに対して本発明の電源では交流電源の停電時には入力
の変換部3をインバータとして活用し、入力側に接続さ
れている負荷にも給電することが出来る(出力側への給
電は無瞬断であるが、入力側の負荷への給電は、交流電
源が停電してからこれをスイッチ2で切り離すまでの僅
かな時間だが停電がある。)。エネルギー源として太陽
電池や燃料電池を使うと長時間の運転が可能であり本発
明の効果はより高くなる。入力変換部の電力容量は出力
の変換部の容量より大きいから、出力側へも入力側へも
給電可能な本発明は従来の電源の2倍以上に給電能力を
増すことができる。エネルギー源として太陽電池を使う
場合には、太陽光が充分にある昼間のエネルギーの余力
分を交流電源側に送ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す。
【図2】インバータの制御装置の構成を示す。
【図3】(a)〜(e)は図2の各部の波形を示す。
【図4】入力変換部の制御装置の構成を示す。
【図5】(a)〜(f)は図4の各部の波形を示す。
【図6】本発明の第2の実施例を示す。
【図7】従来の交流の無停電電源装置を示す。
【符号の説明】
1 交流電源 2 スイッチ 3 入力変換部 4AC 出力変換部 40A 制御装置 430 制御装置 5 商用負荷 7AC 変換負荷 B バッテリー S1 〜S8 スイッチ LIN リアクタ C コンデンサ T トランス PTIN トランス PTOUT トランス LAC リアクタ CAC コンデンサ SGE 正弦波電圧信号 SG1 入力電流信号

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 商用負荷に給電している交流電源に接続
    し、受電した電力を直流電力に変換する入力変換部と、
    前記の変換した直流電力を交流に再変換する出力変換部
    とからなり、変換負荷に給電する装置において、 前記出力変換部の入力側に直流電気エネルギー源を設
    け、前記入力変換部は交流から直流への変換機能と直流
    から交流への変換機能とを有し、かつ前記入力変換部の
    制御装置は電流制御機能と電圧制御機能との両機能を備
    えており、交流電源からの給電中は前記制御装置は入力
    変換部を電流制御機能によって電流波形を制御し、また
    交流電源の停電中は電圧制御機能によって直流電気エネ
    ルギー源の出力を交流電力に変換して入力側に対して定
    電圧で出力することを特徴とする無停電電源装置。
  2. 【請求項2】 商用負荷に給電している交流電源に接続
    し、受電した電力を直流電力に変換する入力変換部と、
    前記の変換した直流電力を直流に再変換する出力変換部
    とからなり、変換負荷に給電する装置において、 前記出力変換部の入力側に直流電気エネルギー源を設
    け、前記入力変換部は交流から直流への変換機能と直流
    から交流への変換機能とを有し、かつ前記入力変換部の
    制御装置は電流制御機能と電圧制御機能との両機能を備
    えており、交流電源からの給電中は前記制御装置は入力
    変換部を電流制御機能によって電流波形を制御し、また
    交流電源の停電中は電圧制御機能によって直流電気エネ
    ルギー源の出力を交流電力に変換して入力側に対して定
    電圧で出力することを特徴とする直流出力の無停電電源
    装置。
  3. 【請求項3】 電気エネルギー源としてバッテリー、太
    陽電池あるいは燃料電池を設けたことを特徴とする請求
    項1もしくは2記載の無停電電源装置。
  4. 【請求項4】 交流電源の給電中に、入力変換部は直流
    から交流への変換を行い交流出力電流を電流制御で制御
    することを特徴とする請求項3記載の無停電電源装置。
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