JPWO2008126820A1 - 交流電源装置及び無停電電源装置 - Google Patents

Abstract

無停電電源装置(100)は、商用電源から供給される交流電力を整流して直流電力を出力する整流回路(102)と、整流回路(102)から出力される直流電力の供給を受けて電力を蓄える一方、商用電源からの交流電力の供給が停止した場合、その蓄えた電力を直流電力として出力可能な蓄電池(104)と、整流回路(102)もしくは蓄電池(104)から出力される直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路(106)と、インバータ回路(106)から出力される交流電力を観測し、その交流電力に含まれる直流成分を検出する直流検出回路(118)とを備える。（選択図 図１）

Description

本発明は、直流電力を変換して交流電力を出力する交流電源装置に関する。また本発明は、商用電源等から供給される交流電力を整流して蓄電しつつ、整流した直流電力を交流電力に変換して出力するとともに、商用電源の停止時には蓄電した電力を用いて交流電力を継続して出力することができる無停電電源装置に関するものである。

この種の交流電源装置又は無停電電源装置に関する先行技術として、インバータを用いて直流電力を交流電力に変換するものが一般に知られている。特に無停電電源装置は、商用の外部電源から供給される交流電力を一旦整流し、これをバッテリに蓄電する部分と、整流した直流電力を再び交流電力に変換するインバータとで構成されている（例えば、日本国特許第２７９３２６４号公報：特許文献１参照。）。このため無停電電源装置は、停電が発生した場合はバッテリからの給電を開始し、これをインバータで変換することで、停電中にも引き続き、バッテリに蓄電した範囲内で交流電力を出力し続けることができる。

さらに先行技術（日本国特許第２７９３２６４号）では、無停電電源装置に入力される交流電源の過電圧や電圧不足に対する保護を行っているほか、装置内部での整流回路や充電回路、インバータ等における過電流や過電圧、電圧低下を監視しながら故障を判別し、その故障が永久的なものではなく一過性のものであると判断した場合は、交流電源よりバイパス回路を通して各種の負荷に直接給電する構成となっている。これにより、一過性の故障状態から正常状態に復帰した後、速やかにインバータを用いた給電動作を再開することができると考えられる。

上記の先行技術をはじめとして、一般に半導体フルブリッジ方式のインバータを用いて直流電力を交流電力に変換する場合、インバータ内部（半導体素子等）に異常が発生すると、交流出力に波形歪（正負非対称の出力波形）が生じる。一方、インバータの出力に接続されている各種の機器は、純粋に交流出力を受け取ることを前提として構成されているため、波形歪をもった交流電力が入力されると、それによって機器の内部に損傷を受けるおそれがある。

しかしながら、先行技術では交流出力の過電圧や過電流等の異常を監視しているだけにとどまり、交流出力の波形歪によって生じる損傷から機器を保護する観点に欠けている。このため先行技術では、たとえ交流出力に過電圧や過電流が生じていなかったとしても、その波形歪によって生じる機器の損傷に対して何ら保護する手段を持っていない。

このため直流電力を交流電力に変換して出力する電源装置の技術分野においては、交流出力の波形歪によって生じる不具合を解消することが一つの課題となっている。
日本国特許第２７９３２６４号公報（第３−４頁、図１）

第１に開示される発明は、直流電力を交流電力に変換する変換回路を備えた交流電源装置である。変換回路からの出力は、そのまま交流電源装置からの交流出力として供給される。本発明は、変換回路から出力される交流電力を観測し、その交流電力に含まれる直流成分を検出する直流検出回路を備えたところに特徴を有する。このように直流電力を交流電力に変換した後、そこに含まれる直流成分を検出することで以下の有用性を得ることができる。

先ず、本発明の有用性に至る前提を述べる。一般に、交流電源に接続される機器（負荷）は、交流電力を受電することを前提に設計されている。特にトランス入力型の機器は、その特性上、純粋に交流電力のみを受電することで本来の機能を発揮することができる。もし仮にトランス入力型の機器に直流電力が印加されたとすると、過電流が生じて異常発熱やコイルの焼損といった想定外のトラブルに見舞われることになる。

これは、トランス入力回路のコイル（１次巻線）が有するインダクタンスは直流に対して抵抗を示さず、その一方で直流抵抗成分となる巻線抵抗は小さく設計されていることからも明白である。すわなち、コイルの巻線抵抗はトランスの電力変換損失を低減する観点から極小値に設計されている。このため、トランス入力回路に想定外の直流電力が印加されると、そこには極めて小さい巻線抵抗しかないことから、その結果として直流電流は極端に大きくなる。そうすると、たとえ僅かでも交流電力に直流成分が含まれていると、それによってコイルに過大な直流電流が発生することは明白である。そしてこの直流電流によるジュール熱の発生と、トランス鉄心の飽和による交流インピーダンスの低下による励磁電流の増加により、さらにトランスが発熱することとなり、焼損に至る危険性が大である。

本発明の発明者は上記の知見に基づいて課題を解決した。その解決手段は、直流電力から変換した後の交流電力を観測して、その交流電力に含まれる直流成分を検出することである。これにより、直流成分が検出された場合は直ちに次の対処をとることで、想定外の過電流による異常発熱やコイルの焼損に至る事態を未然に回避することができる。

変換回路で直流電力を変換した後の交流電力に直流成分が含まれるのは、一般に波形歪と呼ばれる現象に起因すると考えられる。すなわち、変換回路に何らかの動作不良が生じると、出力部に正負で対称に反転した正弦波状の出力波形が得られず、何らかの歪みをもった出力波形となる。この場合、例えば出力電力の交流波形の周期に対し、その整数倍となる一定時間内で波形を積分すると、正負いずれかの方向にオフセットが生じ、それが直流成分として交流出力に重畳された形となる。

このため本発明の交流電源装置は、直流検出回路により直流成分が検出された場合、制御によって変換回路による出力を停止させる機能を備える。この場合、波形歪の発生源を速やかに停止させることで、極めて迅速な対処を行うことができる。

第２に開示される発明は、無停電電源装置である。この無停電電源装置は、外部電源から供給される交流電力を整流回路によって整流し、この整流回路から出力される直流電力を蓄電池に蓄えつつ、変換回路で直流電力を交流電力に変換して出力するものである。また蓄電池は、外部電源からの交流電力の供給が停止した場合、その蓄えた電力を直流電力として出力することができる。変換回路は蓄電池から出力される直流電力を変換して交流電力を出力することができるため、これにより無停電電源装置としての機能が確保されている。このような無停電電源装置においても、変換回路から出力される交流電力を観測し、その交流電力に含まれる直流成分を検出する直流検出回路を備えることで課題を解決することができる。

また本発明の無停電電源装置は、直流検出回路により直流成分が検出された場合、変換回路による出力を停止させる制御を行うことができる。この場合も同様に、波形歪の発生源を停止させることで、極めて迅速な対処を行うことができる。

あるいは、変換回路による出力を停止させるとともに、外部電源から供給される交流電力を無停電電源装置からの出力としてバイパスさせる構成でもよい。この場合、無停電電源装置はバイパス経路を備える。バイパス経路にはスイッチが介挿されており、このスイッチが閉じた（ＯＮ）状態に切り換えられると、外部電源から供給される交流電力が整流回路及び変換回路を迂回して出力される。スイッチを閉状態に切り換えるのは直流検出回路により直流成分が検出された場合であり、変換回路が正常に動作中はスイッチを開状態に切り換えておく。これにより、通常は外部電源ではなく変換回路から交流電力を出力することができる。

上述した交流電源装置及び無停電電源装置は、いずれも交流電力の受電を前提とした各種の機器を想定外の直流の印加から速やかに保護し、その損傷を未然に防止することができる。

図１は、無停電電源装置の構成例を示すブロック図、 図２は、交流出力に生じる波形歪の一例を説明するための図、 図３は、制御回路が実行する保護プロセスのフローチャート、そして、 図４は、無停電電源装置の使用例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、一実施形態である無停電電源装置１００の構成例を示すブロック図である。無停電電源装置１００は通常、商用電源等の外部電源から交流電力を受け取り、これを整流して直流電力に変換して蓄電しつつ、直流電力を交流電力に変換して出力する。また停電時には、無停電電源装置１００は蓄電した電力を用いて交流出力することができるので、この間、無停電電源装置１００に接続された電子機器に対して無停電に電力供給を継続することができる。以下、無停電電源装置１００の構成について具体的に説明する。

無停電電源装置１００は整流回路１０２を備えている。この整流回路１０２は、例えば内蔵するダイオードブリッジを用いて交流電力を整流する。無停電電源装置１００に商用電源から入力（供給）される交流電力は、先ず整流回路１０２にて直流電力に変換される。

また無停電電源装置１００は、整流回路１０２にて変換された直流電力を蓄えるための蓄電池１０４を備えている。蓄電池１０４は一定の充電容量を持ち、上記のように商用電源の停電時に、蓄えておいた電力を放出する役割を果たす。蓄電池１０４の充電容量は、停電時に無停電電源装置１００が交流出力を継続できる時間に応じて設定されている。また蓄電池１０４の具体的な態様については、ここでは特に限定されていない。

無停電電源装置１００にはインバータ回路１０６が内蔵されている。本実施形態では、例えば半導体素子を用いたフルブリッジ方式によりＤＣ／ＡＣ変換を行うインバータ回路１０６を採用している。インバータ回路１０６は、整流回路１０２にて整流された直流電力を交流電力に変換する。このときインバータ回路１０６からの交流出力は、例えば商用電源と同じ実効値（ＡＣ１００Ｖ）に調整されている。なお、インバータ回路１０６の構成については公知のものを適用できるため、ここではその詳細な説明を省略する。

インバータ回路１０６によって変換された交流電力は、出力経路１１６を通じて無停電電源装置１００の交流出力として供給される。出力経路１１６の末端（出口）は、例えば商用電源の差込口と同様の形態を有している。このため無停電電源装置１００には、例えば家庭用電子機器や汎用コンピュータ機器等の各種の電子機器を、商用電源の差込口と同様にして接続することができる。

無停電電源装置１００には、過電流・過電圧検出回路１１０が内蔵されている。この過電流・過電圧検出回路１１０は、出力経路１１６を通じて出力される交流電力を監視（モニタリング又はサンプリング）し、その出力に過電流又は過電圧が生じたことを検出する。過電流・過電圧検出回路１１０には、公知の電流センサや電圧センサを適用することができるため、ここではその詳細な説明を説明する。

また無停電電源装置１００には制御回路１０８が内蔵されている。この制御回路１０８には、その内部に演算回路を含むＩＣ（集積回路）が実装されているほか、制御に必要な各種信号を入出力するためのＩ／Ｏポートが設けられている。制御回路１０８は通常、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式によってインバータ回路１０６の半導体素子をスイッチングさせており、これによりインバータ回路１０６では、半導体ブリッジから所定のデューティ比で出力される直流電力を平滑して、商用電源と同等の周波数と振幅を持つ正弦波形状または同等の実効電力を得ることができる出力波形の交流出力を得ることができる。

また制御回路１０８には上記の過電流・過電圧検出回路１１０から検出信号が入力されており、この検出信号に基づいて、制御回路１０８は上記の整流回路１０２やインバータ回路１０６の動作を制御する機能を有する。例えば、インバータ回路１０６からの交流出力に過電流又は過電圧が発生した場合、過電流・過電圧検出回路１１０からの検出信号に基づき、制御回路１０８はインバータ回路１０６の動作を停止させてインバータ回路１０６からの交流出力を遮断するか、もしくはＰＷＭ制御信号に負帰還を与えて過電流又は過電圧を抑制する。これにより、無停電電源装置１００に接続された各種の電子機器を過電流又は過電圧から保護することができる。

その他、図示されていていないが、無停電電源装置１００は整流回路１０２に入力される交流電力を監視する検出回路や、蓄電池１０４の充電状態を監視する検出回路等を備えている。制御回路１０８は、これら検出回路からの検出信号に基づき、整流回路１０２の動作を制御したり、蓄電池１０４への充電又は蓄電池１０４からの放電を制御する機能を有している。

さらに、無停電電源装置１００にはバイパス経路１１２が形成されている。このバイパス経路１１２は、商用電源から交流入力を上記の整流回路１０２及びインバータ回路１０６を迂回するようにして出力経路１１６に導くものである。バイパス経路１１２の途中にはスイッチ１１４が設けられており、このスイッチ１１４は、上記の制御回路１０８からの制御信号に基づいて開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）動作されるものとなっている。なおスイッチ１１４は、例えば半導体スイッチング素子や半導体リレーを用いて構成することもできるし、機械的な接点を有する開閉器（ソレノイド式リレー等）を用いて構成することもできる。

例えば、上記のように制御回路１０８がインバータ回路１０６の動作を停止させた場合、制御回路１０８はスイッチ１１４を閉動作させてバイパス経路１１２に交流入力を導き、これを無停電電源装置１００からの交流出力として供給することができる。これにより、無停電電源装置１００に接続された各種の電子機器では、引き続き交流電力の供給を受けることができる。

以上が無停電電源装置１００の基本的な構成とその動作の内容である。加えて本実施形態の無停電電源装置１００は、発明者独自の知見に基づく構成として直流検出回路１１８を備えている。この直流検出回路１１８は、インバータ回路１０６から出力される交流電力を監視（モニタリング又はサンプリング）し、その交流電力に直流成分が含まれていることを検出する機能を有するものである。

このような直流検出は、基本的に交流出力を一定期間にわたって積分することで容易に実現することができる。本発明の発明者は、直流検出回路１１８の具体的な構成例として以下のものを開示する。

（１）演算増幅回路を用いた理想整流回路と平滑回路を用いた積分回路との組み合わせによる構成。
（２）ダイオードブリッジ等の整流器による整流回路と平滑回路による積分回路との組み合わせによる構成。
（３）Ａ／Ｄコンバータを用いてインバータ回路１０６からの出力電圧を一定のサンプリング周期で時間離散的に抽出する回路と、サンプリングした出力電圧を交流電力の１周期ごとに積分する回路（積分演算処理回路）との組み合わせによる構成。この場合のサンプリング周波数は、エイリアス防止の観点から交流周波数を逓倍して設定することが望ましい。また、これら回路の動作は所定の発信器から出力されるクロック信号に同期して行われる。

図２は、波形歪の一例を説明するための図である。例えば、インバータ回路１０６内の半導体素子に異常が生じることで、その交流出力に波形歪が生じた場合を想定する。この場合の波形歪は、例えば正負いずれかの波形が矮小化されることにより、出力波形が正負対称に反転した形にならない現象として表れる。図２の例では、負電圧の出力波形に歪が生じており、それゆえ負側の領域では、本来の理想波形（図中破線）に比較して振幅の小さい出力波形が観測されている。

このような波形歪が交流出力に生じると、出力電圧を１周期分（０〜Ｔ，Ｔ〜２Ｔ）ごとに積分した値が０にならない。図２の例では、負電圧の波形が矮小化されているため、１周期分の積分結果が正の値になる。このため、インバータ回路１０６からの出力は、本来なら純粋な交流であるはずのものに直流成分（オフセット電圧Ｅｄｃ）が含まれることになる。

この場合、上述したように交流の受電を前提とした各種の電子機器に損傷を与えるおそれがあることから、本実施形態では制御回路１０８が以下の制御を行い、電子機器を損傷から保護するものとしている。

図３は、本実施形態において制御回路１０８が実行する保護プロセスのフローチャートである。以下、保護プロセスの手順に沿って説明する。

ステップＳ１：保護プロセスの開始に伴い、制御回路１０８は直流検出回路１１８によってインバータ回路１０６からの交流出力を監視する。
ステップＳ２：制御回路１０８は、直流検出回路１１８からの検出信号に基づき、インバータ回路１０６からの交流出力に含まれる直流成分が検出されたか否かを確認する。その結果、特に直流成分が検出されなければ（Ｎｏ）、制御回路１０８はここで保護プロセスを一旦終了する。なお終了後、制御回路１０８は改めてステップＳ１から保護プロセスを開始することになる。

これに対し、ステップＳ２で直流成分が検出された場合（Ｙｅｓ）、制御回路１０８は次にステップＳ３に進む。
ステップＳ３：制御回路１０８は、無停電電源装置１００に接続された各種電子機器の保護パターンを決定（選択）する。ここでいう保護パターンは、直流成分が検出された場合に、保護プロセスの実行に伴いどのような対処を行うかを予め具体的に定めたものである。本発明の発明者は、保護パターンの好適な例として以下のものを提供している。

（１）インバータ回路１０６の動作を停止し、無停電電源装置１００からの交流出力を遮断する保護パターン。
（２）インバータ回路１０６の動作を停止するとともにスイッチ１１４を閉じ、バイパス経路１１２を通じて無停電電源装置１００からの交流出力を継続する保護パターン。

上記（１），（２）の保護パターンについては、これらを例えばデジタル符号化して制御回路１０８の記憶領域（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリデバイス）に格納しておくことができる。

ステップＳ４：制御回路１０８は、先のステップＳ３で決定（選択）した保護パターンにしたがって、保護動作を実行する。このとき上記（１）の保護パターンに決定していた場合、制御回路１０８はインバータ回路１０６の動作を停止させ、スイッチ１１４は引き続き開状態（ＯＦＦ）に維持する。これにより、無停電電源装置１００からの交流出力は遮断されることになる。

あるいは、上記（２）の保護パターンに決定していた場合、制御回路１０８はインバータ回路１０６の動作を停止させるとともに、スイッチ１１４を閉状態（ＯＮ）に切り換える。これにより、無停電電源装置１００からは商用電源の交流電力がバイパス経路１１２を通じて出力されることになる。

なお、いずれの保護パターンを用いた場合であっても、制御回路１０８はこのとき合わせて警報を外部出力し、無停電電源装置１００の異常をユーザ等に通知する機能を有していてもよい。

〔使用例〕
図４は、無停電電源装置１００の使用例を示す概略図である。本実施形態の無停電電源装置１００は、その入力端子（プラグ）を例えば商用電源の差込口に接続して使用することができる。また無停電電源装置１００には、例えばテーブルタップ等の分電器具１２０を接続して使用することができる。分電器具１２０には複数の差込口が設けられており、ここには各種の電子機器１２２，１２４，・・・を接続して使用することができる。電子機器１２２，１２４，・・・は、例えば家庭用電気製品やパーソナルコンピュータ、携帯情報端末等と考えてよい。

ここで、ある電子機器１２２が例えば半導体スイッチング方式（トランスレス）のＡＣ／ＤＣコンバータ１２２ａを有したものであり、他の電子機器１２４がトランス方式のＡＣ／ＤＣコンバータ１２４ａを有したものである場合を想定する。この場合、インバータ回路１０６からの交流出力に直流成分が含まれていると、そのままではＡＣ／ＤＣコンバータ１２４ａにおいてトランスに偏磁電流が発生し、その１次コイルを焼損するおそれがある。

ところが、トランスレスのＡＣ／ＤＣコンバータ１２２ａについては特段の損傷は生じないため、ユーザからみればＡＣ／ＤＣコンバータ１２４ａそのものだけが不良であったかのように誤解する可能性がある。この場合ユーザには、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２４ａを別のものに交換して、また同じようにトランス方式のＡＣ／ＤＣコンバータを有する電子機器を接続してしまう可能性が残される。そうすると、同じく波形歪によってＡＣ／ＤＣコンバータが損傷を受けることから、ユーザは繰り返し同じトラブルに見舞われることになる。

これについて本実施形態では、制御回路１０８において上記の保護プロセスを実行することにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２４ａの損傷を未然に防止することができる。また、合わせて警報等によってユーザに原因を通知することで、上記のようにトラブルの繰り返しが生じることを未然に防止することができる。

また、上記（２）の保護パターンを用いた場合、引き続き商用電源からの交流電力を継続して供給できるため、電子機器１２２，１２４，・・・等が急に電力供給を絶たれてしまう事態が有効に回避される。

〔交流電源装置としての実施形態〕
本発明は、無停電電源装置１００としての形態だけでなく、交流電源装置としても実施することができる。交流電源装置は、例えば図１中の整流回路１０２とインバータ回路１０６、制御回路１０８、過電流・過電圧検出回路１１０及び直流検出回路１１８だけを最小の構成要素として実現することができる。この場合、インバータ回路１０６は整流回路１０２から出力される直流電力を変換し、交流電力として出力する。

あるいは他の形態として、交流電源装置は図１中の蓄電池１０４とインバータ回路１０６、制御回路１０８、過電流・過電圧検出回路１１０及び直流検出回路１１８だけを最小の構成要素として実現することができる。この場合、インバータ回路１０６は蓄電池１０４から出力される直流電力を変換し、交流電力として出力する。

直流電源装置としての実施形態においても、制御回路１０８において上記の保護プロセスを実行することにより、交流出力の波形歪によって生じる各種電子機器の損傷を未然に防止することができる。

上記の一実施形態では、無停電電源装置１００に常時インバータ回路１０６による給電方式を採用しているが、常時商用電源による給電方式を採用してもよい。この場合、バイパス経路１１２のスイッチ１１４が常時閉じた状態（もしくは省略）であり、出力経路１１６には、バイパス経路１１２又はインバータ回路１０６のいずれかを選択的に接続する別の選択スイッチが接続される。そして、通常は選択スイッチがバイパス経路１１２と出力経路１１６とを接続する位置にセットされている。そして、商用電源に停電が発生すると、選択スイッチが瞬時にインバータ回路１０６の方に切り換えられ、インバータ回路１０６から給電を開始することができる。このような形態においても、インバータ回路１０６からの給電中に直流検出回路１１８にて直流成分が検出されると、制御回路１０８がインバータ回路１０６の動作を停止させることで、電子機器を保護することができる。

その他、一実施形態において図示とともに挙げた回路構成はあくまで好ましい一例であり、基本的な回路構成に各種の要素を付加し、あるいは一部を置換しても本発明を好適に実施可能であることは言うまでもない。

Claims (5)

1. 直流電力を交流電力に変換して出力する変換回路と、
   前記変換回路から出力される交流電力を観測し、その交流電力に含まれる直流成分を検出する直流検出回路と
   を備えた交流電源装置。
2. 請求項１に記載の交流電源装置において、
   前記直流検出回路により直流成分が検出された場合、前記変換回路による出力を停止させる制御手段をさらに備えている。
3. 外部電源から供給される交流電力を整流して直流電力を出力する整流回路と、
   前記整流回路から出力される直流電力の供給を受けて電力を蓄える一方、前記外部電源からの交流電力の供給が停止した場合、その蓄えた電力を直流電力として出力可能な蓄電池と、
   前記整流回路もしくは前記蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換して出力する変換回路と、
   前記変換回路から出力される交流電力を観測し、その交流電力に含まれる直流成分を検出する直流検出回路と
   を備えた無停電電源装置。
4. 請求項３に記載の無停電電源装置において、
   前記直流検出回路により直流成分が検出された場合、前記変換回路による出力を停止させる制御手段をさらに備えている。
5. 請求項３に記載の無停電電源装置において、
   所定のスイッチを有し、このスイッチが閉じた状態で前記外部電源から供給される交流電力を前記整流回路及び前記変換回路を迂回して出力させるバイパス経路と、
   前記変換回路の動作中は前記スイッチを開状態に切り換える一方、前記直流検出回路により直流成分が検出された場合、前記変換回路による出力を停止させて前記スイッチを閉状態に切り換える制御手段とをさらに備えている。

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