JPH09130995A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄電池からの給電期間に、蓄電池の電圧低下
の影響を除去し、インバータ入力直流電圧を一定に保持
する。 【解決手段】 商用電源１の停電時にコンバータ２と商
用電源１の間を第１の開閉手段７で解放し、蓄電池６を
コンバータ２の出力側からコンバータ２の入力側に第２
の開閉手段８を介して接続変更して、コンバータ２を昇
圧チヨッパとして動作させ、蓄電池６の電圧が低下して
もインバータ３の入力直流電圧を一定に保持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、商用電源が停電し
た際に蓄電池からの電力で負荷給電する無停電電源装置
に係り、特に停電時の蓄電池電圧範囲を抑えることによ
って通常運転時のインバータの電圧利用率を上げ、素子
の通電電流を低減することが出来る無停電電源装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電力変換装置においては、電力変
換の高性能化のために高速スイッチング素子を使った高
調波のパルス幅変調制御の採用がコンバータ、インバー
タともに適用されてきており、各種の負荷に質の高い電
力を供給できることから、無停電電源装置等に数多く利
用されている。

【０００３】従来の無停電電源装置の構成を図６を参照
して説明する。同図において１は商用電源、２はトラン
ジスタ等の半導体素子で構成され、交流を直流に変換す
る機能を持つコンバータ、３はコンバータ２で変換され
た直流を交流に変換するインバータ、４はインバータ３
の交流電圧を所望の電圧に変換する変圧器、５は負荷、
６は商用電源１が停電した場合にインバータ３に直流電
力を供給するバックアップ用の蓄電池である。又、１１
は商用電源１の電圧を制御回路レベルの電圧に変換する
絶縁変圧器等の交流電圧検出器、１２は交流電圧検出器
１１の出力をレベル判定して商用電源１の異常電圧低下
や停電を検出する停電検出器、１３はコンバータ２のゲ
ート切換制御回路である。

【０００４】次に、無停電電源装置の動作を説明する
と、商用電源１の健全時には商用電源１の電力はコンバ
ータ２により直流電力に変換され、蓄電池６を所定の直
流電圧に充電すると共に、インバータ３の入力となる。
インバータ３で交流に変換した電力は変圧器４を介して
負荷５に給電される。

【０００５】一方商用電源１が停電した場合は、商用電
源１の電圧を交流電圧検出器１１を介して停電検出回路
１２で検出し停電検出を条件にゲート切換制御回路１３
はコンバータゲートを停止させる。従って、インバータ
３の入力は蓄電池６のみとなり蓄電池６が保持していた
エネルギ分だけインバータ３、変圧器４を介して負荷６
に電力を供給し続けることができる。

【０００６】ここで自励式コンバータを使用することの
利点を簡単に説明すれば、一般のサイリスタ式の整流器
とは異なり有効電力、無効電力を各々独立に制御出来、
入力力率を１に制御すれば、無停電電源装置の必要入力
容量を最小限に抑えることが可能てあり、又自励式コン
バータの半導体素子をパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御と
呼ぶ）すれば、商用電源１に発生する高調波電流を抑え
ることが可能な点で最近の無停電電源装置には不可欠の
ものとなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような構成から成
る無停電電源装置において、蓄電池電圧の変動範囲は重
要な意味を持つ。即ち、商用電源１が停電し、インバー
タ３の入力が蓄電池６のみとなり、蓄電池６のエネルギ
が放電し、徐々に蓄電池電圧が低下した場合にもインバ
ータ３はパルス幅変調制御を行い所望の電圧を出せるよ
うに設計しなければならない。従って、蓄電池６の放電
終止電圧でインバータ３の最大変調率を規定する必要が
ある。

【０００８】一般的に蓄電池６の公称電圧は１セル当り
２．０Ｖ、放電終止電圧１．６Ｖであるので、インバー
タ３の最大変調率は蓄電池電圧８０％（１．６／２）で
設計され、これによって変圧器４の一次電圧が決まる。
言替えると変圧器４の一次電圧は、蓄電池６が放電終止
電圧になる短時間の間を保証できるように設計されてお
り、通常時はこの１２０％の電圧を出力できる能力があ
るのに、電圧を絞って使っていることになる。

【０００９】この制約により、変圧器４の一次電圧は通
常時に最大変調率の約８０％の電圧に抑えざるをえない
ため、その分半導体素子の通電電流が増えることにな
る。一般的に半導体素子のロスは、その通電電流に比
例、電圧に対してはほぼ一定であるため通電電流が増え
ることは、半導体素子の冷却器の小形化を妨げると共に
無停電電源装置の効率アップを妨げる要因になってい
る。

【００１０】従って、本発明の目的は、前述の点に鑑み
なされたものであって、コンバータ、インバータ変圧器
及び蓄電池を組合せた無停電電源装置において、インバ
ータ電圧利用率を向上させ、半導体素子の通電電流を低
減することで、半導体素子の冷却器の小形化、装置効率
の向上を達成できる無停電電源装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、商用電源から給電される
交流を直流に変換するコンバータと、前記直流を交流に
変換するインバータと、前記商用電源の停電時に前記直
流をバックアップする蓄電池を備えた無停電電源装置に
おいて、前記商用電源の停電を検出する停電検出手段
と、前記商用電源と前記コンバータの入力側に設けられ
前記停電検出手段の検出信号に応答して開路される第１
の開閉手段と、前記停電検出手段の検出信号に応答して
閉路され、前記蓄電池の正極端子が前記コンバータの少
くとも一方の入力端子に、前記蓄電池の負極端子が前記
コンバータの負極端子に接続されて成る昇圧チヨッパ回
路を構成する第２の開閉手段を具備したことを特徴とす
るものである。

【００１２】又、請求項２に記載の発明は、商用電源か
ら給電される交流を直流に変換するコンバータと、前記
直流を交流に変換するインバータと、前記商用電源の停
電時に前記直流をバックアップする蓄電池を備えた無停
電電源装置において、前記商用電源の停電を検出する停
電検出手段と、前記商用電源と前記コンバータの入力側
に設けられ前記停電検出手段の検出信号によって開路さ
れる第１の開閉手段と、前記停電検出手段の検出信号に
よって閉路され、前記蓄電池の正極端子が前記コンバー
タの少くとも一方の入力端子に、前記蓄電池の負極端子
が前記コンバータの負極端子に接続されて成る昇圧チヨ
ッパ回路を構成する第２の開閉手段と、前記商用電源の
復電を検出する復電検出手段と、前記商用電源からバイ
パススイッチを介して負荷に給電するバイパス回路と、
前記復電検出手段の検出信号に応答し前記バイパススイ
ッチを閉路し、前記第１の開閉手段を介して給電される
前記コンバータ及びインバータが正常運転に復帰したこ
とで前記バイパススイッチを開路する切換制御手段を具
備したことを特徴とするものである。

【００１３】更に、請求項３に記載の発明は、商用電源
から給電される交流を直流に変換する少くとも２台コン
バータと、前記直流を交流に変換するインバータと、ダ
イオードを介して前記インバータの直流回路に接続さ
れ、前記商用電源の停電時に前記直流をバックアップす
る蓄電池を備えた無停電電源装置において、前記商用電
源の停電を検出する停電検出手段と、前記商用電源と前
記コンバータの入力側に設けられ前記停電検出手段の検
出信号に応答して開路される開閉手段と、前記停電検出
手段の検出信号に応答して前記蓄電池を入力電源として
前記各コンバータを昇圧チヨッパとして動作させ、前記
商用電源の復電時前記コンバータの一方は昇圧チヨッパ
としての動作を継続させ、他方のコンバータを前記商用
電源を入力とする交直変換器として動作させた後に、各
コンバータを交直変換器として動作させるように切換え
る切換手段を具備したことを特徴とするものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、請求項１に記載の発明の一
実施例を図１のブロック図を参照して説明する。但し、
従来技術の図６と同一符号を付したものは、従来と同一
機能を有するものであるためその説明は省略する。

【００１５】図１において、従来技術と異なる点は、商
用電源１とコンバータ２の入力側に設けられ停電検出手
段１２の検出信号に応答して開路される第１の開閉手段
７と、停電検出手段１２の検出信号に応答して閉路さ
れ、蓄電池６の正極端子がコンバータ２の少くとも一方
の入力端子に、蓄電池６の負極端子がコンバータ２の負
極端子に接続されて成る昇圧チヨッパ回路を構成する第
２の開閉手段８を設けた点である。

【００１６】尚、図２はコンバータ２の具体的一例、及
び第２の開閉手段８によって昇圧チヨッパ回路が構成さ
れることを示した構成図である。商用電源１が停電した
場合の動作を説明すると、商用電源１が停電したことを
停電検出手段１２によりレベル判定を行い検出して、第
１の開閉手段７を開、第２の開閉手段８を（ｂ）側から
（ａ）側に切換える。第２の開閉手段８が（ｂ）側にあ
る時点では蓄電池６の電圧は充分エネルギを持っており
セル当り１．９Ｖ程度の電圧で蓄電池６から第２の開閉
手段８を介してインバータ３で交流に変換し、変圧器４
を介して負荷５に電力を供給している。第２の開閉手段
８が図２に示しているように（ｂ）側から（ａ）側に切
替わると蓄電池６はコンバータ２の出力から入力に切換
り、更に、コンバータ２を昇圧チョッパとして運転す
る。昇圧チョッパの動作を図２の回路で説明すれば、Ｐ
側のトランジスタ２１Ｖは逆バイアスをかけ動作を停止
させておく、Ｎ側のトランジスタ２１Ｙをパルス幅制御
することでリアクトル２４のエネルギを直流コンデンサ
２５に移行させ、入力電圧より出力電圧を高く制御する
ことができる方式である。

【００１７】即ち、トランジスタ２１Ｙをオンすれば、
蓄電池６の正極端子→第２の開閉手段８の（ａ）側→コ
ンバータ２の一方の入力端子Ｖ→リアクトル２４→トラ
ンジスタ２１Ｙ→蓄電池６の負極端子から成る閉回路が
構成され、リアクトル２４の電流が上昇する。リアクト
ル２４の電流が或程度上昇した時点で、トランジスタ２
１Ｙをオフする。トランジスタ２１Ｙがオフすると、リ
アクトル２４の電流はリアクトル２４→ダイオード２２
Ｖ→直流コンデンサ２５→蓄電池６→第２の開閉手段８
→リアクトル２４の回路が形成されリアクトル２４の蓄
積エネルギは直流コンデンサ２５に移る。リアクトル２
４の電流が所定値まで低下した時、トランジスタ２１Ｙ
をオンにし、以下同様な動作を行なうことにより、直流
コンデンサ２５の電圧を蓄電池６の電圧以上に昇圧する
ことができる。前述説明はＶ相アームを昇圧チヨッパと
して動作させたものであるが、Ｕ相端子とＶ相端子とを
共通接続すれば、Ｕ相アームも昇圧チヨッパとして同時
に動作させることが出来る。このように、第２の開閉手
段８を図２のコンバータ２の出力側（ｂ）からコンバー
タの入力側（ａ）に切換えることで商用電源１の停電が
長く継続して蓄電池６の電圧が１．７Ｖ或いは１．６Ｖ
まで低下してもコンバータ２を昇圧チョッパとして動作
させているためインバータ３の直流入力電圧は低下する
ことはなくインバータ３の制御電圧範囲を商用電源が正
常時と同じように設計することができる。

【００１８】従って、インバータ３の制御電圧範囲は、
従来のように、蓄電池６が放電終止電圧に達するまで考
慮して設計することがないため、その分変圧器４の一次
電圧を大きく取れることにより通常動作における半導体
素子の通電電流を減少させることができ、半導体素子の
冷却器を小形化できると共に無停電電源装置の効率アッ
プを図ることができる。

【００１９】尚、図１及び図２において、第２の開閉手
段８のｂ接点は、蓄電池６をコンバータ２で充電する場
合に必要となるものであり、別の充電装置から充電する
場合は省略することも出来る。

【００２０】又、停電検出手段１２は、商用電源１の停
電のみならず異常電圧低下等も検出するものも含むもの
とする。次に、図１と同一部に同一符号を付して示す図
３を参照して請求項１に記載の発明の他の実施例を説明
する。

【００２１】同図において、図１と異なる点は、第１の
開閉手段７及び第２の開閉手段８を半導体スイッチに置
換えた点である。図１の実施例では、停電又は復電時の
蓄電池６の切換が機械スイッチであるため、切換時に直
流電圧が切替わる２０〜４０ｍｓの間直流電圧が低下
し、出力電圧に変動が発生する恐れがあるため充分大き
い容量の電解コンデンサ（直流コンデンサ２５）取付け
る必要がある点に対して、停電時には第２の開閉手段８
を閉とした後、充電用開閉器を開とし、復電時には第２
の開閉手段８を開とすると同時に、第１の開閉手段７を
閉とすることで直流電圧の低下を防ぐことができる。

【００２２】次に、図１と同一部に同一符号を付して示
す図４を参照して請求項２に記載の発明の一実施例を説
明する。同図において、図１と異る点は商用電源１から
バイパススイッチ１４Ｂを介して負荷５に電力を供給す
るバイパス回路１４Ａを追加したことと、商用電源１の
復電時に復電検出手段１５によりインバータ３とバイパ
ススイッチ１４Ｂの切換えを制御する切換制御手段１６
を追加した点である。図１の実施例では、商用電源１の
復電時に第２の開閉手段８をコンバータ入力からコンバ
ータ出力に切換えた後、第１の開閉手段７を投入し、コ
ンバータを正常運転されるまでの時間、直流電圧が低下
し、出力電圧に変動が発生することを防止するために充
分大きい容量の電解コンデンサ２５を取付ける必要があ
る点に対して、復電時に復電検出手段１５の出力により
負荷５をインバータ３よりバイパススイッチ１４Ｂを点
弧させバイパス回路１４Ａに切換えた後に、第２の開閉
手段８をコンバータ入力からコンバータ出力に切換え、
第１の開閉手段７を通してコンバ―タ２を正常運転さ
せ、インバータ３を運転させると同時に再度バイパスス
イッチ１４Ｂを消弧させ、負荷５への給電をバイパス回
路１４Ａからインバータ３側に切換えるようにした点で
ある。これにより商用電源１の復電時に出力電圧の変動
を防ぐことができる。

【００２３】次に、図１と同一部に同一符号を付して示
す図５を参照して請求項３に記載の発明の一実施例を説
明する。同図において、図１と異る点はコンバータ２の
容量を増やすためにコンバータ２を２台設け、これらの
コンバータを昇圧チヨッパ回路として動作させたり、交
直変換器として動作させるための切換手段３０と、蓄電
池６をコンバータ２の出力側に接続するためのダイオー
ド３１と、蓄電池６を充電するための充電器３２を設け
た点である。

【００２４】商用電源１とコンバータ２の入力側に設け
られ停電検出手段１２の検出信号に応答して開路される
開閉手段Ｍｂは、例えば、停電検出手段１２の出力信号
（停電検出で閉路する接点）に応答して励磁される瞬時
動作瞬時復帰形接触器Ｍ（以下単に接触器Ｍと記す）の
常閉接点を用いる。又、切換手段３０は、例えば、接触
器Ｍの常開接点Ｍａと、停電検出手段１２の出力信号
（停電検出で閉路する接点）に応答して励磁される瞬時
動作限時復帰形接触器（以下単に接触器Ｔと記す）の常
閉接点Ｔｂと、常開接点Ｔａで構成することができる。

【００２５】前述のように構成された請求項３に記載の
発明によれば、商用電源１が正常であれば、接触器Ｍ及
びＴは励磁されないため、常閉接点Ｍｂ及びＴｂが閉路
状態となっており、２台のコンバータ２は商用電源１か
ら給電される交流を直流に変換し、この変換された直流
をインバータ３で交流に変換して、変圧器４を介して負
荷５に給電することになる。

【００２６】次に停電時の動作を説明する。停電が発生
すると、コンバータ２の入力即ち、商用電源電圧は零に
なるが、インバータ３の入力直流はダイオード３１を介
して瞬時に蓄電池６から供給され、その後、常閉接点Ｍ
ｂ、Ｔｂが開路、常開接点Ｍａ、Ｔａが閉路されるた
め、２台のコンバータ２は、蓄電池６を入力電源とする
昇圧チヨッパとして動作する。昇圧チヨッパとして動作
しているコンバータ２の直流電圧が蓄電池６の電圧より
高くなるとダイオードはオフ状態となる。

【００２７】前述のような状態から、商用電源１が復電
すと、常閉接点Ｍｂが閉路、常閉接点Ｔｂが開路、常開
接点Ｔａが閉路状態であるため、下側のコンバータ２は
昇圧チヨッパとして動作し続け、上側のコンバータ２は
商用電源１から給電される交直変換器として動作するこ
とになる。その後接触器Ｔの時限後に常閉接点Ｔｂが閉
路、常開接点Ｔａが開路となるため、前述の商用電源１
の正常時の動作に復帰する。

【００２８】このように、図５の実施例によれば、開閉
手段Ｍｂ及び切換手段３０に機械的接点を使用しても動
作時間の遅れの影響を受けることなく、商用電源１に停
電が発生し、その停電が回復する過程において、コンバ
ータの直流電圧の低下を防ぐことができる。尚、図５の
実施例は、開閉手段Ｍｂ及び切換手段３０を機械的接点
に限定するものではなく、半導体スイッチを用いても良
い。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１から請求
項３に記載の発明によれば、商用電源停電時にコンバー
タ入力を商用電源から切離し蓄電池に接続し、コンバー
タを蓄電池電圧を電源とした昇圧チョッパとして動作さ
せることによって、インバータ入力電圧を蓄電池が放電
終止電圧に近付いた場合にも一定値に抑えることがで
き、インバータを常時最大変調率で動作させることで、
変圧器の一次電圧を高く設計することができる。従っ
て、インバータの半導体素子の通電電流を低く抑えるこ
とができ、半導体ロスを低減することで装置の効率を向
上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載の発明による無停電電源装置の
一実施例を示すブロック構成図。

【図２】［図１］のコンバータと、コンバータを昇圧チ
ヨッパとして動作させるための詳細回路図。

【図３】請求項１に記載の発明による無停電電源装置の
他の実施例を示すブロック構成図。

【図４】請求項２に記載の発明による無停電電源装置の
一実施例を示すブロック構成図。

【図５】請求項３に記載の発明による無停電電源装置の
一実施例を示すブロック構成図。

【図６】従来の無停電電源装置のブロック構成図。

【符号の説明】

１ …商用電源 ２ …コ
ンバータ ３ …インバータ ４ …変
圧器 ５ …負荷 ６ …蓄
電池 ７ …第１の開閉手段 ８ …第
２の開閉手段 １１ …交流電圧検出器 １２ …停
電検出手段 １３ …ゲート切換制御回路 １４Ａ …バ
イパス回路 １４Ｂ …バイパススイッチ １５ …復
電検出手段 １６ …切換制御手段 ２１ …ト
ランジスタ ２２ …ダイオード ２３ …リ
アクトル ２４ …リアクトル ２５ …直
流コンデンサ Ｍｂ …開閉手段 ３０ …切
換手段 ３１ …ダイオード ３２ …充
電器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用電源から給電される交流を直
   流に変換するコンバータと、前記直流を交流に変換する
   インバータと、前記商用電源の停電時に前記直流をバッ
   クアップする蓄電池を備えた無停電電源装置において、 前記商用電源の停電を検出する停電検出手段と、前記商
   用電源と前記コンバータの入力側に設けられ前記停電検
   出手段の検出信号に応答して開路される第１の開閉手段
   と、前記停電検出手段の検出信号に応答して閉路され、
   前記蓄電池の正極端子が前記コンバータの少くとも一方
   の入力端子に、前記蓄電池の負極端子が前記コンバータ
   の負極端子に接続されて成る昇圧チヨッパ回路を構成す
   る第２の開閉手段を具備したことを特徴とする無停電電
   源装置。
2. 【請求項２】 商用電源から給電される交流を直
   流に変換するコンバータと、前記直流を交流に変換する
   インバータと、前記商用電源の停電時に前記直流をバッ
   クアップする蓄電池を備えた無停電電源装置において、 前記商用電源の停電を検出する停電検出手段と、前記商
   用電源と前記コンバータの入力側に設けられ前記停電検
   出手段の検出信号によって開路される第１の開閉手段
   と、前記停電検出手段の検出信号によって閉路され、前
   記蓄電池の正極端子が前記コンバータの少くとも一方の
   入力端子に、前記蓄電池の負極端子が前記コンバータの
   負極端子に接続されて成る昇圧チヨッパ回路を構成する
   第２の開閉手段と、前記商用電源の復電を検出する復電
   検出手段と、前記商用電源からバイパススイッチを介し
   て負荷に給電するバイパス回路と、前記復電検出手段の
   検出信号に応答し前記バイパススイッチを閉路し、前記
   第１の開閉手段を介して給電される前記コンバータ及び
   インバータが正常運転に復帰したことで前記バイパスス
   イッチを開路する切換制御手段を具備したことを特徴と
   する無停電電源装置。
3. 【請求項３】 商用電源から給電される交流を直
   流に変換する少くとも２台コンバータと、前記直流を交
   流に変換するインバータと、ダイオードを介して前記イ
   ンバータの直流回路に接続され、前記商用電源の停電時
   に前記直流をバックアップする蓄電池を備えた無停電電
   源装置において、 前記商用電源の停電を検出する停電検出手段と、前記商
   用電源と前記コンバータの入力側に設けられ前記停電検
   出手段の検出信号に応答して開路される開閉手段と、前
   記停電検出手段の検出信号に応答して前記蓄電池を入力
   電源として前記各コンバータを昇圧チヨッパとして動作
   させ、前記商用電源の復電時前記コンバータの一方は昇
   圧チヨッパとしての動作を継続させ、他方のコンバータ
   を前記商用電源を入力とする交直変換器として動作させ
   た後に、前記一方のコンバータも交直変換器として動作
   させるように切換える切換手段を具備したことを特徴と
   する無停電電源装置。