JPH099526A - 無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、給電電力を有効に活用しさらに定
電圧・定周波数の高品質の電力が得られるようにした無
停電電源装置を提供することを目的とする。 【構成】交流入力電源12を第１スイッチSW1 を介して第
１の電力変換器13に供給し、また第２のスイッチSW2 を
介して電池電源14に接続する。さらに交流入力電源12は
第３のスイッチSW3 を介して負荷17に接続する。第１の
スイッチSW1 と第４のスイッチSW4 との間に前記電力変
換器13、15を直列に接続する。交流入力電源12が正常時
に直接負荷に入力電源12が接続され、第１、第２の電力
変換器13、15を降圧コンバータ、アクティブフィルタと
して動作させ、入力電源12の低下時にスイッチSW3 を開
路して電力変換器13、15を高入力力率コンバータ、イン
バータとして動作させる。また停電時には、電力変換器
13、15を昇圧コンバータ、インバータとして動作させ、
電池電源14から負荷17に給電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、アクティブフィルタ
機能を内蔵した負荷に対して電源を供給する電源装置に
係るものであり、特にその動作モードを交流入力電源の
状況に応じて切り替えて、負荷に対する安定した電源供
給の信頼度が得られるようにした無停電電源装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来おいて、例えばアクティブ機能を有
する無停電電源装置は、例えば図２で示すように構成さ
れる。すなわち、交流入力電源51からの出力電力は入力
端子52に入力し、第１のスイッチSW11を含むバイパス回
路を介して出力端子53に導く。そして、この出力端子53
に交流電源で駆動される負荷54が接続される。

【０００３】また、交流入力電源51が正常に動作しない
状態で用いられる直流電源として電池電源55が設けられ
る。第１スイッチSW11を介して得られる交流入力電源51
からの交流電力は、第２のスイッチSW12およびリアクト
ルＬを介して電力変換器56に供給され、この電力変換器
56からの直流出力電圧により電池電源55を充電する。ま
た、交流入力電源51が停電したような場合には、電池電
源55からの直流出力電力が、電力変換器56で交流電力に
変換され、第２のスイッチSW12を介して出力端子53に導
かれ、負荷54に供給される。電力変換器56と電池電源55
との間には平滑用コンデンサＣ1 が接続され、また第２
のスイッチSW12とリアクタＬとの間にはバイパスコンデ
ンサＣ2 が接続されている。

【０００４】この様に構成される無停電電源装置におい
て、交流入力電源51が正常に動作している場合には、こ
の正常動作の判断結果に基づいて第１および第２のスイ
ッチSW11およびSW12が閉路され、電力変換器56はスイッ
チSW12を介して供給される交流入力電源51からの交流電
流に流れる高調波電流を除去するアクティブフィルタと
して動作状態に設定される。同時に、この電力変換器56
は直流電源55の端子部を一定電圧Ｖdcに制御して、この
電池電源55を充電する。すなわち、アクティブフィルタ
運転モードに設定される。

【０００５】これに対して交流入力電源51が停電した場
合には、この停電検出と共に第１のスイッチSW11が開路
されて交流入力電源51が切り離される。このとき、第２
のスイッチSW12が閉じられていて、電池電源55による直
流電源が電力変換器56に接続され、直流電力を交流電力
に変換して負荷54に供給する。すなわち、インバータ運
転モードの運転状態とされる。

【０００６】電力変換器56がアクティブフィルタとして
機能される状態では、負荷54において発生された高調波
電流をこのアクティブフィルタにバイパスさせて、交流
入力電源51に流れる電流波形を正弦波とする。この場
合、交流入力電源51の周波数に同期運転されて、有効電
力の供給は行われない。したがって、このアクティブフ
ィルタ運転モードにおける電力損失は小さなものとされ
て、高効率に作動される特長を有するものであるが、周
波数や電圧を一定値に制御する機能は備えていない。そ
して、交流入力電源51が正常なアクティブフィルタモー
ドで動作している場合には、正常と判断される閾値の範
囲内で周波数および電圧が変動される。

【０００７】この様な周波数および電圧の変動を抑える
ためには、例えば交流入力電源51の正常値判定のための
閾値を厳しくすることが考えられる。しかし、この様に
判定閾値を厳しく設定すると、インバータ運転モードが
頻繁に切り替わるようになって、電池電源55の満充電状
態の維持が困難となる。したがって、交流入力電源51の
停電時に、所定のバックアップ時間を確保することがで
きなくなる可能性が増大する。

【０００８】また、この様な無停電電源装置において、
長時間の停電に際して非常用発電機からの電力の供給を
受けるバックアップ給電システムに適用した場合には、
この非常用発電機からの発生電力の周波数や電圧の品質
が悪いと、インバータ運転モードが継続されるようにな
る。したがって、電池電源55の電力を消費しつくした時
点でインバータは停止し、アクティブフィルタ運転モー
ドに移行して、負荷54に対する電力供給を継続せざるを
得ず、結果として負荷54に対して非常用発電機の品質の
悪い電力を供給するようになる。この様な理由から、図
２で示したようなアクティブフィルタ機能を有する常時
商用給電方式の無停電電源装置は、ある程度の電源変動
の許容可能な用途に限定して使用される。

【０００９】電池電源55に接続される電力変換器56の出
力端子部の電圧Ｖdcは、電池電源55を構成するバッテリ
の端子間電圧に等しく、交流入力電源51の出力電圧のピ
ーク値の約１．３倍程度に設定されるもので、例えば実
効値１００Ｖの交流入力電圧である場合には、電圧Ｖdc
として約１８０Ｖの高い電圧を必要とする。

【００１０】一般的に、電池電源55を構成するバッテリ
は鉛蓄電池等の二次電池が用いられる。この場合、バッ
テリ１個のセル当たりの電圧が低いものであるため、多
数個のセルを直列接続し、所定の電圧が得られるように
している。多数のバッテリセルを直列接続して充電を行
う場合、その各セルにおいて残存容量が相違する可能性
が高く、この残存容量が他のセルに比較して大きい場合
には、この残存容量の大きいセルにおいて過充電とな
る。また放電を行う場合には、残存容量が他のセルに比
較して小さいセルにあって過放電となり、このセルの寿
命を著しく縮める結果となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、特に交流入力電力の電圧が
低下したり周波数が変動したとき、もしくは非常用発電
機等が接続された状態において交流入力電源の品質が低
下した場合には、その給電電力を有効に活用する状態
で、定電圧さらに定周波数の高品質の電力が負荷に対し
て供給することができてその信頼性が確保されると共
に、電池電源における充電時さらに放電時において、過
充電さらに過放電の問題が効果的に解決されるようにし
た無停電電源装置を提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る無停電電
源装置は、交流入力電源が第１のスイッチ回路および第
２のスイッチ回路を介して、充電可能な複数の電池が直
列接続された電池電源を接続する。また、交流電力を直
流電力に変換する高入力力率コンバータとしての機能と
共に、前記電池電源の直流電力を昇圧する昇圧コンバー
タ、さらに前記電池電源の充電電圧を得る降圧とコンバ
ータとしての機能が選択的に設定される第１の電力変換
手段を第１のスイッチ回路を介して前記交流入力電源が
接続し、さらにこの第１の電力変換手段と電気的に接続
して、直流電力を交流電力に変換するインバータとして
動作する機能と、高調波成分を除去するアクティブフィ
ルタとして作動する機能が選択的に設定される第２の電
力変換手段を設け、交流入力電源が第３のスイッチ回路
を介して負荷手段に電気的に接続され、さらにこの負荷
手段には第２の電力変換手段が第４のスイッチ回路を介
して電気的に接続されているもので、入力監視手段で交
流入力電源の状態を監視し、この入力監視手段からの監
視出力に基づき動作モード選択手段を制御して、第１お
よび第２の電力変換手段の機能を選択指定すると共に、
その監視出力に基づきスイッチ制御手段を制御し、第１
ないし第４のスイッチ回路を開閉指令する。このスイッ
チ制御手段からの指令に基づき、前記交流入力電源で前
記負荷を駆動しさらに前記第２および第１の電力変換手
段を介して得られる電力で前記電池電源を充電し、もし
くは前記電池電源からの出力電力を交流に変換して前記
負荷に供給されるようにする。

【００１３】そして、入力監視手段で交流入力電源の正
常が判断された状態で、動作モード選択手段が第２の電
力変換手段をアクティブフィルタとしての動作モードを
設定すると共に、第１の電力変換手段を電池電源の充電
用に降圧コンバータとしての動作モードを設定する。ま
た、入力監視手段で交流入力電源の電圧低下を検出した
状態もしくは周波数異常を検出した状態では、動作モー
ド選択手段は第１の電力変換手段を高入力力率コンバー
タ、第２の電力変換手段インバータとしてそれぞれ機能
されるようにして、交流入力電源からの出力電力が負荷
に供給されるようにする。

【００１４】

【作用】この様に構成される無停電電源装置において、
交流入力電源の品質が良好な状態では交流入力電力が直
接的に負荷に供給される。この場合、第２の電力変換手
段がアクティブフィルタとして機能され、負荷の高調波
電流の流出を防止する。また、第１の電力変換手段は降
圧コンバータとして機能し、第２の電力変換手段の出力
電圧Ｖdcを低い値に変換して、電池電源を一定電圧に充
電する。

【００１５】交流入力電源の品質が低下した場合には、
第１の電力変換手段が高入力力率コンバータとして機能
され、交流入力電源を力率“１”で整流して第２の電力
変換手段の必要とする直流側端子電圧Ｖdcを出力する。
また、第２の電力変換手段がインバータとして動作さ
れ、定電圧で且つ定周波数の高品質の交流電力を負荷に
供給するようになる。

【００１６】そして、交流入力電源が停電状態のときに
は、第１の電力変換手段が昇圧コンバータとして動作さ
れて、電池電源に蓄えられた直流電力を第２の電力変換
手段で必要とする端子電圧Ｖdcの電圧に変換して出力す
るようになる。この第２の電力変換手段はインバータと
して動作し、第１の電力変換手段から得られた直流電力
を定電圧で且つ定周波数の高品質の交流電力に変換して
負荷に給電する。

【００１７】すなわち、交流入力電源の品質が良好なと
きには常時商用給電方式における高効率特性を生かしな
がら、負荷の高調波電流の流出を防止するようになり、
交流入力電源の品質の低下したときには、電池電源に蓄
えられた電力は使用せずに、交流入力電源の電力を有効
に利用しながら負荷給電を継続することができる。すな
わち、交流入力電源の電圧が極度に低下した停電状態の
ときにのみ、電池電源が使用されるようになって、電源
供給信頼度が向上される。

【００１８】また、電池電源は第２の電力変換手段が必
要とする端子電圧Ｖdcに制約を受けずに低い電圧に設定
できるものであるため、電池電源における直列接続した
セルの数を減らしてセル間の充電容量のばらつきを抑え
ることができ、特定されるセルの過充電や過放電を防止
して、電池電源の信頼性が効果的に向上される。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。図１はその構成を示したもので、この無停電
電源装置10の入力端子11に対して交流入力電源12が接続
される。入力端子11は、例えば半導体スイッチング素子
によって構成された第１のスイッチSW1 およびリアクト
ルＬ1 からなる直列回路を介して、第１の電力変換器13
に接続される。第１のスイッチSW1 は、さらに第２のス
イッチSW2 を介して複数のバッテリセルを直列接続した
電池電源14に接続する。

【００２０】第１の電力変換器13は、スイッチング素子
をブリッジ接続して構成されるもので、この第１の電力
変換器13は同様に構成される第２の電力変換器15と接続
されて、その接続点には平滑用コンデンサＣ1 が接続さ
れている。入力端子は、さらに第３のスイッチSW3 によ
って構成したバイパス回路BPS を介して出力端子16に接
続され、この出力端子16に対して負荷17が接続される。

【００２１】そして、第２の電力変換器15は直列にした
リアクトルＬ2 と並列に接続されるコンデンサＣ2 から
なる逆Ｌ型ＡＣフィルタ、さらに第４のスイッチSW4 を
介して出力端子16に接続されている。

【００２２】さらに、入力端子11からの交流入力電力は
交流入力監視回路18に供給されている。この交流入力監
視回路18は、交流入力電源12からの出力交流電力を監視
しているもので、その監視結果に基づく制御指令を動作
モード制御回路19に供給すると共に、スイッチ制御回路
20に対して制御指令を与える。そして、このスイッチ制
御回路20においては、交流入力電源12の状態に応じて、
第１ないし第４のスイッチSW1 〜SW4 に対する開閉動作
指令を出力する。

【００２３】第１および第２の電力変換器13および15に
それぞれ対応して、制御回路21および22が設けられ、こ
れらの制御回路21および22に対して、それぞれ動作モー
ド制御回路19からのモード選択指令が供給される。第１
の電力変換器13の動作モードを設定する制御回路21は、
高入力力率コンバータとしての動作モードとしての制御
回路211 、電池電源14の充電時における降圧コンバータ
の動作モードとしての制御回路212 、さらに電池電源14
からの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータの動作モード
としての制御回路213 を備えている。また、第２の電力
変換器15の動作モードを設定する制御回路22は、アクテ
ィブフィルタの動作モードとしての制御回路221 と、イ
ンバータの動作モードとしての制御回路222 を備えてい
る。

【００２４】この様に構成される無停電電源装置10にお
いて、交流入力電源12の電圧および負荷17に対する供給
電圧が１００Ｖの場合を例にして以下説明する。すなわ
ち、交流入力電源12の電圧が９５Ｖ以上で且つ交流入力
電源12の周波数精度が±１％以内の高品質電源の第１の
状態のときは、交流入力監視回路18で入力電源正常と判
断される。この判断結果に基づく指令は、動作モード制
御回路19並びにスイッチ制御回路20に与えられ、スイッ
チ制御回路20では第１のスイッチSW1 を開路すると共
に、第２ないし第４のスイッチSW2 〜SW4 を閉路する。
このため、交流入力電源12からの出力電力は、第３のス
イッチSW3 で構成されたバイパス回路BPSを介して負荷1
7に直接供給され、この負荷17が駆動される。

【００２５】また、動作モード制御回路19からの指令に
基づいて制御回路21および22の制御動作モードが選択さ
れるもので、制御回路22の制御回路221 からの指令に基
づいて第２の電力変換器15がアクティブフィルタとして
の動作モードに設定される。すなわち、第２の電力変換
器15において負荷17の高調波電流の流出を防止するもの
であり、またこの第２の電力変換器15は第１の電力変換
器13に接続される直流端子の電圧Ｖdcを、１８０Ｖの一
定値制御を行う。

【００２６】このとき、制御回路21は動作モード制御回
路19からの指令に基づいて降圧コンバータの動作モード
の設定された制御回路212 が選択され、第１の電力変換
器13の動作モードは降圧コンバータに設定される。すな
わち、第２の電力変換器15からの出力電圧Ｖdcを変換し
て、例えば公称電圧９６Ｖの低い電圧を設定し、電池電
源14を定電圧充電する。また、電池電源14が放電した後
の初充電時には定電流充電を行わせる。

【００２７】交流入力電源12の出力交流電圧が例えば９
５Ｖ〜７０Ｖに低下し、また交流入力電源12の周波数変
動が±１％を越えた第２の状態となると、これが交流入
力監視回路18で検出される。そして、交流入力監視回路
18からの検出出力に基づくスイッチ制御回路20からの指
令により、第２および第３のスイッチSW2 およびSW3が
開路され、バイパス開路BPS 並びに電池電源14が交流入
力電源12から切り離される。同時に第１および第４のス
イッチSW1 およびSW4 が閉路される。

【００２８】このとき、交流入力監視回路18からの検出
出力に基づく動作モード制御回路１９からの指令によっ
て制御回路２１の動作モード制御回路211 が選択され、
第１の電力変換器13が高入力力率コンバータとして動作
される。そして、交流入力電源12からの交流入力電力を
力率“１”で整流し、第２の電力変換器15の必要とする
直流側端子電圧Ｖdcを、１８０Ｖで出力させる。また、
交流入力監視回路18からの指令に基づく制御回路19によ
って動作モード制御回路222 が選択され、第２の電力変
換器15がインバータとして動作されるように設定され
る。そして、定電圧で且つ定周波数の高品質の交流電力
が、負荷17に対して無遮断で供給されるようにする。

【００２９】そして、交流入力電源12の電圧が７０Ｖ未
満に低下した、停電に等しい第３の状態のときには、交
流入力監視回路18からの検出信号に基づくスイッチ制御
回路20からの指令により、第１および第３のスイッチSW
1 およびSW3 を開路し、バイパス回路BPS を切り離す。
同時に第２および第４のスイッチSW2 およびSW4 を閉路
すると共に、第１の電力変換器13を昇圧コンバータとし
て動作させ、電池電源14に蓄えられた直流電力を、第２
の電力変換器15が必要とする直流端子電圧Ｖdc（１８０
Ｖ）に変換して出力する。このとき、第２の電力変換器
15はインバータとして動作されるものであり、第１の電
力変換器13から得られた直流電力を定電圧で且つ定周波
数の高品質の交流電力に変換して、負荷17に対する給電
を継続させる。

【００３０】以上の説明では、交流入力電源12の電圧、
および負荷17に対する供給電圧を共に１００Ｖとした例
を示したが、これは例えば２００Ｖ等の他の無停電電源
装置として、この構成はそのまま適用できる。また、交
流入力監視回路18における交流入力電源12の品質判定値
や、電池電源14の電圧はその一例を示したもので、用途
に合わせた適正な値を選定することによって、無停電電
源装置の効果が有効に発揮される。

【００３１】

【発明の効果】以上のような無停電電源装置によれば、
交流入力電源が正常で高品質の交流入力が得られる場合
には、電力損失の小さいバイパス給電を行いながら、負
荷に流れる高調波電流の流出を防止している。また、交
流入力電源の品質が低下した状態では、この交流入力電
源の電力を最大限に利用した状態で、負荷に対して安定
度の高い電力の供給が継続され、極端に交流入力電源の
電圧が低下した停電状態とみなされるときに、負荷に対
して電池電源からの安定した交流電力が供給されるよう
になり、さらに電池電源の信頼性も確実に向上される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る無停電電源装置の構
成を説明する図。

【図２】従来の無停電電源装置の例を説明する構成図。

【符号の説明】

10…無停電電源装置、11、52…入力端子、12、51…交流
入力電源、13…第１の電力変換器、14、55…電池電源、
15…第２の電力変換器、16、53…出力端子、17、54…負
荷、18…交流入力監視回路、19…動作モード制御回路、
20、21、22…（動作モード選択の）制御回路、SW1 〜SW
4 、SW11、SW12…スイッチ、BPS …バイパス回路、56…
電力変換器。

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【手続補正書】

【提出日】平成７年７月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】そして、入力監視手段で交流入力電源の正
常が判断された状態で、動作モード選択手段が第２の電
力変換手段をアクティブフィルタとしての動作モードを
設定すると共に、第１の電力変換手段を電池電源の充電
用に降圧コンバータとしての動作モードを設定する。ま
た、入力監視手段で交流入力電源の電圧低下を検出した
状態もしくは周波数異常を検出した状態では、動作モー
ド選択手段は第１の電力変換手段を高入力力率コンバー
タ、第２の電力変換手段をインバータとしてそれぞれ機
能されるようにして、交流入力電源からの電力が負荷に
供給されるようにする。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流入力電源が第１のスイッチ回路およ
   び第２のスイッチ回路を介して接続される、充電可能な
   複数の電池が直列接続された電池電源と、 前記第１のスイッチ回路を介して前記交流入力電源が接
   続され、交流電力を直流電力に変換する高入力力率コン
   バータとしての機能と共に、前記電池電源の直流電力を
   昇圧する昇圧コンバータ、さらに前記電池電源の充電電
   圧を得る降圧コンバータとしての機能が選択的に設定さ
   れる第１の電力変換手段と、 この第１の電力変換手段と電気的に接続されて、前記電
   池電源の直流電力を交流電力に変換するインバータとし
   ての機能と、高調波成分を除去するアクティブフィルタ
   として作動する機能が選択的に設定される第２の電力変
   換手段と、 前記交流入力電源が第３のスイッチ回路を介して電気的
   に接続され、さらに前記第２の電力変換手段が第４のス
   イッチ回路を介して電気的に接続される負荷手段と、 前記交流入力電源の状態を監視する入力監視手段と、 この入力監視手段からの監視出力に基づき前記第１およ
   び第２の電力変換手段の機能を選択指定する動作モード
   選択手段と、 前記入力監視手段からの監視出力に基づき前記第１ない
   し第４のスイッチ回路を開閉指令するスイッチ制御手段
   とを具備し、 このスイッチ制御手段からの指令に基づき、前記交流入
   力電源で前記負荷を駆動し、もしくは前記第２および第
   １の電力変換手段を介して得られる電力で前記電池電源
   を充電し、または前記電池電源からの出力電力を交流に
   変換して前記負荷に供給されるようにしたことを特徴と
   する無停電電源装置。
2. 【請求項２】 前記入力監視手段で前記交流入力電源の
   正常が判断された状態で、前記動作モード選択手段が前
   記第２の電力変換手段をアクティブフィルタとしての動
   作モードを設定すると共に、前記動作モード選択手段が
   前記第１の電力変換手段を前記電池電源の充電用に降圧
   コンバータとしての動作モードを設定するようにした請
   求項１記載の無停電電源装置。
3. 【請求項３】 前記入力監視手段で前記交流入力電源の
   電圧低下を検出した状態もしくは周波数異常を検出した
   状態で、前記動作モード選択手段は前記第１の電力変換
   手段を高入力力率コンバータとしての機能を設定すると
   共に、前記第２の電力変換手段をインバータとしてそれ
   ぞれ機能されるようにして、前記交流入力電源の電力を
   前記負荷に供給されるようにした請求項１記載の無停電
   電源装置。
4. 【請求項４】 前記入力監視手段で前記交流入力電源の
   停電が検出された状態で、前記動作モード選択手段は前
   記第１の電力変換手段を昇圧コンバータとしての機能を
   設定すると共に、前記第２の電力変換手段をインバータ
   としての機能を設定するようにして、前記電池電源から
   の電力が交流に変換されて前記負荷に供給されるように
   した請求項１記載の無停電電源装置。
5. 【請求項５】 前記動作モード選択手段は、前記第１お
   よび第２の電力変換手段それぞれに対応した第１および
   第２の動作モード選択手段として構成され、この第１お
   よび第２の動作モード選択手段は、それぞれ前記第１お
   よび第２の電力変換手段それぞれで設定される動作モー
   ドにそれぞれ対応する機能設定のための複数の制御手段
   により構成され、前記入力監視手段からの監視出力に基
   づきその１つが選択されるようにした請求項１記載の無
   停電電源装置。