WO2022101985A1

WO2022101985A1 - 電源装置

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Publication number: WO2022101985A1
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Inventors: 暁▲チン▼ 張; 洋祐林
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-05-19
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Abstract

この無停電電源装置は、商用交流電源（４）と負荷（５）の間に直列接続される複数の真空遮断器（Ｓ１，Ｓ２）およびバイパス回路（１）と、商用交流電源の健全時には、複数の真空遮断器およびバイパス回路をともにオンさせ、商用交流電源の停電時には、複数の真空遮断器のうちの前回の停電時にオフさせた真空遮断器と異なる真空遮断器をオフさせるとともにバイパス回路をオフさせる制御装置（３）と、商用交流電源の停電時に、バッテリ（６）の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換器（２）とを備える。

Description

電源装置

　この発明は電源装置に関し、特に、交流電源の健全時には、交流電源から供給される交流電力を負荷に供給し、交流電源の停電時には、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電源装置に関する。

　たとえば特開２００９－１３６０９９号公報（特許文献１）には、交流電源から供給される交流電力を受ける入力端子と、負荷に接続される出力端子と、入力端子と出力端子との間に接続され、交流電源の健全時にオンされ、交流電源の停電時にオフされるバイパス回路と、交流電源の停電時に、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して出力端子に出力する電力変換器とを備えた電源装置が開示されている。

　また、たとえば特開２０１７－７００４６号公報（特許文献２）には、交流電源から供給される交流電力を受ける入力端子と、負荷に接続される出力端子と、入力端子と出力端子との間に直列接続された機械スイッチおよびバイパス回路と、交流電源の健全時には機械スイッチおよびバイパス回路をともにオンさせ、交流電源の停電時にはバイパス回路をオフさせ、入力端子の交流電圧が下限値よりも低下した回数をカウントし、所定時間内のカウント値が所定値を超えた場合に、バイパス回路が短絡故障したと判別して機械スイッチをオフさせる制御装置と、交流電源の停電時に、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換器とを備えた電源装置が開示されている。

特開２００９－１３６０９９号公報特開２０１７－７００４６号公報

　しかし、特許文献１では、互いに逆並列に接続された一対のサイリスタによってバイパス回路が構成されており、サイリスタに流れる電流が０Ａになるまでサイリスタがオフしないので、交流電源の停電が発生した場合に、交流電源と負荷の間を遮断するのに時間が掛かるという問題がある。

　この対策として、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）およびダイオードを含む半導体スイッチによってバイパス回路を構成することが考えられる。この半導体スイッチは、サイリスタよりも高速に動作するので、交流電源の停電が発生した場合に、交流電源と負荷の間を迅速に遮断することができる。

　しかし、この半導体スイッチはサージ電圧に弱いので、半導体スイッチをオフするときに発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路を半導体スイッチに並列接続する必要がある。スナバ回路は、たとえば直列接続された抵抗素子およびコンデンサを含み、交流電圧を伝達する。

　このため、交流電源の停電時には、電力変換器の交流出力電圧がスナバ回路を介して入力端子に伝達され、交流電源が復電したと誤って判別される。交流電源の復電が検出されると、電力変換器からの交流電力の出力が停止され、再び交流電源の停電が発生したと判別され、電力変換器からの交流電力の出力が再開される。したがって、電力変換器からの交流電力の出力と停止が繰り返されることとなり、電源装置の誤動作が発生する。

　そこで、入力端子と出力端子の間に機械スイッチおよびバイパス回路を直列接続し、交流電源の停電時には、機械スイッチおよびバイパス回路をオフさせる方法が考えられる。この方法によれば、交流電源の停電時に電力変換器の交流出力電圧がスナバ回路を介して入力端子に伝達されることを防止することができ、電源装置の誤動作を防止することができる。

　高速の機械スイッチを使用するとコスト高になるので、機械スイッチとして安価な真空遮断器を使用することが望ましい。しかし、オフ状態の真空遮断器をオンさせるためには、蓄勢モータ等によるバネの蓄勢が完了している必要があるので、真空遮断器のオンおよびオフを短時間内に繰り返すことはできない。このため、機械スイッチとして真空遮断器を使用すると、交流電源の停電と復電が短時間内に繰り返される場合には正常に動作しなくなるという問題がある。

　それゆえに、この発明の主たる目的は、高速かつ安定に動作する低価格の電源装置を提供することである。

　この発明に係る電源装置は、交流電源から供給される交流電力を受ける入力端子と、負荷に接続される出力端子と、入力端子と出力端子との間に直列接続された複数の機械スイッチおよびバイパス回路と、交流電源の健全時には、複数の機械スイッチおよびバイパス回路をともにオンさせ、交流電源の停電時には、複数の機械スイッチのうちの前回の停電時にオフさせた機械スイッチと異なる機械スイッチをオフさせるとともにバイパス回路をオフさせる制御装置と、交流電源の停電時に、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して出力端子に出力する電力変換器とを備えたものである。

　この発明に係る電源装置では、入力端子とバイパス回路の一方端子との間に複数の機械スイッチを直列接続し、交流電源の健全時には、複数の機械スイッチをともにオンさせ、交流電源の停電時には、複数の機械スイッチのうちの前回の停電時にオフさせた機械スイッチと異なる機械スイッチをオフさせる。

　したがって、並列接続された半導体スイッチおよびスナバ回路を用いてバイパス回路を構成した場合でも、交流電源の停電時に、電力変換器の交流出力電圧がバイパス回路を介して入力端子に現れることを防止し、電源装置の誤動作を防止することができる。

　また、機械スイッチとして安価な真空遮断器を使用した場合でも、前回の停電および復電時にオフおよびオンさせた真空遮断器と異なり、既にバネが蓄勢されている真空遮断器をオフさせるので、交流電源が復電した場合には複数の機械スイッチを迅速にオンさせることができる。よって、高速かつ安定に動作する低価格の電源装置を実現することができる。

この発明の一実施の形態による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。図１に示す真空遮断器の構成を示すブロック図である。図２に示す真空遮断器の問題点を説明するためのタイムチャートである。本願発明の効果を説明するためのタイムチャートである。図１に示すバイパス回路の構成を示すブロック図である。図５示す交流スイッチの構成を示す回路図である。図１に示す制御装置の構成を示すブロック図である。図７に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。実施の形態の変更例を示す回路図である。

　図１は、この発明の一実施の形態による無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この無停電電源装置は、入力端子Ｔ１、出力端子Ｔ２、バッテリ端子Ｔ３、複数（図１では２個）の真空遮断器（機械スイッチ）Ｓ１，Ｓ２、バイパス回路１、電力変換器２、および制御装置３を備える。

　入力端子Ｔ１は、商用交流電源４から供給される商用周波数の交流電圧ＶＩを受ける。交流電圧ＶＩの瞬時値は、制御装置３によって検出される。制御装置３は、交流電圧ＶＩの検出値に基づいて、商用交流電源４の停電および復電を検出する。

　出力端子Ｔ２は、負荷５に接続される。負荷５は、無停電電源装置の出力端子Ｔ２から供給される交流電圧ＶＯによって駆動される。交流電圧ＶＯの瞬時値は、制御装置３によって検出される。

　バッテリ端子Ｔ３は、バッテリ６（直流電源、電力貯蔵装置）に接続される。バッテリ６は、直流電力を蓄える。バッテリ６の代わりにコンデンサが接続されていても構わない。バッテリ端子Ｔ３の直流電圧ＶＢ（バッテリ６の端子間電圧）の瞬時値は、制御装置３によって検出される。

　真空遮断器Ｓ１，Ｓ２は、入力端子Ｔ１とバイパス回路１の一方端子１ａとの間に直列接続される。真空遮断器Ｓ１，Ｓ２の各々は、制御装置３によって制御される。商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩが正常範囲内である場合（商用交流電源４の健全時）には、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２はともにオンされる。

　商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩが正常範囲内でない場合（商用交流電源４の停電時）には、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２のうちの前回の停電および復電時にオフおよびオンされた真空遮断器（たとえばＳ１）と異なる方の真空遮断器（この場合にはＳ２）がオフされる。この理由については、後で詳細に説明する。

　バイパス回路１の他方端子１ｂは、出力端子Ｔ２に接続される。バイパス回路１は、制御装置３によって制御される。商用交流電源４の健全時には、バイパス回路１はオンされる。商用交流電源４の停電時には、バイパス回路１はオフされる。

　電力変換器２の交流端子２ａは出力端子Ｔ２に接続され、電力変換器２の直流端子２ｂはバッテリ端子Ｔ３に接続される。電力変換器２は、制御装置３によって制御される。商用交流電源４の健全時には、電力変換器２は、商用交流電源４から真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１を介して供給される交流電力を直流電力に変換してバッテリ６に蓄える。このとき制御装置３は、バッテリ６の端子間電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲになるように電力変換器２を制御する。

　商用交流電源４の停電時には、電力変換器２は、バッテリ６の直流電力を商用周波数の交流電力に変換して負荷５に供給する。このとき制御装置３は、出力端子Ｔ２の交流電圧ＶＯが参照交流電圧ＶＯＲになるように電力変換器２を制御する。また、制御装置３は、バッテリ６の端子間電圧ＶＢが下限電圧に到達した場合には、電力変換器２の運転を停止させる。

　次に、この無停電電源装置の動作について簡単に説明する。商用交流電源４の健全時には、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１がともにオンされ、商用交流電源４から真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１を介して負荷５に交流電力が供給され、負荷５が運転される。

　また、商用交流電源４から真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１を介して電力変換器２に交流電力が供給され、電力変換器２によって交流電力が直流電力に変換されてバッテリ６に蓄えられる。

　商用交流電源４の停電が発生すると、前回の停電時にオフされた真空遮断器（たとえばＳ２）と異なる真空遮断器（この場合はＳ１）がオフされるとともに、バイパス回路１がオフされ、商用交流電源４と負荷５の間が遮断される。バッテリ６の直流電力は、電力変換器２によって交流電力に変換されて負荷５に供給され、負荷５の運転が継続される。

　商用交流電源４が復電すると、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１がともにオンされ、商用交流電源４から真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１を介して負荷５に交流電力が供給され、負荷５が運転される。

　再び商用交流電源４の停電が発生すると、前回の停電時にオフされた真空遮断器Ｓ１と異なる真空遮断器Ｓ２がオフされるとともに、バイパス回路１がオフされ、商用交流電源４と負荷５の間が遮断される。バッテリ６の直流電力は、電力変換器２によって交流電力に変換されて負荷５に供給され、負荷５の運転が継続される。

　次に、２つの真空遮断器Ｓ１，Ｓ２を直列接続し、商用交流電源４の停電が発生した場合に、前回の停電時にオフさせた真空遮断器と異なる真空遮断器をオフさせる理由について詳細に説明する。

　図２は、真空遮断器Ｓ１の構成を示すブロック図である。図２において、この真空遮断器Ｓ１は、真空バルブ１０、導体１３，１４、外部端子１５，１６、操作ロッド１７、操作機構部１８、バネ１９、および駆動部２０を備える。

　真空バルブ１０は、一対の電極１１，１２を含む。電極１１，１２の先端部は、真空バルブ１０内に設けられ、互いに対向して配置されている。電極１１，１２の後端部は、真空バルブ１０の外部に露出している。電極１１は真空バルブ１０の上端部に固定され、電極１２は真空バルブ１０の下端部に上下方向に移動可能に支持されている。

　電極１１の後端部は、導体１３を介して外部端子１５に接続されている。電極１２の後端部は、導体１４を介して外部端子１６に接続されるとともに、操作ロッド１７を介して操作機構部１８に結合されている。操作ロッド１７は、絶縁材料で形成されている。

　駆動部２０は、蓄勢モータ、カムなどを含み、バネ１９を蓄勢する。操作機構部１８は、制御装置３からのオフ指令信号Ｓ１ｏｆｆに応答して操作ロッド１７を下方に移動させる。操作ロッド１７が下方に移動すると、電極１２が下方に移動し、電極１１，１２の先端部が互いに離間し、外部端子１５，１６間が非導通状態となり、真空遮断器Ｓ１がオフする。

　また、操作機構部１８は、バネ１９が蓄勢されている場合、制御装置３からのオン指令信号Ｓ１ｏｎに応答してバネ１９を放勢させ、バネ１９の放勢力を使用して操作ロッド１７を上方に移動させる。操作ロッド１７が上方に移動すると、電極１２が上方に移動し、電極１１，１２の先端部同士が接触し、外部端子１５，１６間が導通状態となり、真空遮断器Ｓ１がオンする。駆動部２０は、バネ１９が放勢されると、直ちにバネ１９を蓄勢する。

　図３は、入力端子Ｔ１とバイパス回路１の一方端子１ａとの間に１つの真空遮断器Ｓ１のみが接続されている場合における真空遮断器Ｓ１の動作を例示するタイムチャートである。図３において、（Ａ）は商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩの実効値を示し、（Ｂ）は真空遮断器Ｓ１のオンおよびオフ状態を示し、（Ｃ）はバネ１９のエネルギーＥ１を示している。

　ここでは、図面および説明の簡単化のため、電力変換器２の交流端子２ａは出力端子Ｔ２から切り離されているものとする。したがって、商用交流電源４の停電時に、電力変換器２の交流出力電圧ＶＯがバイパス回路１の一方端子１ａに現れることはない。

　図３では、商用交流電源４の停電と復電が繰り返されている場合が示されている。商用交流電源４の健全時には交流電圧ＶＩは高値となり、商用交流電源４の停電時には交流電圧ＶＩは低値になる。

　初期状態では、商用交流電源４は健全であり、真空遮断器Ｓ１はオンされ、バネ１９の蓄勢は完了され、バネ１９のエネルギーＥ１は高値に維持されているものとする。真空遮断器Ｓ１をオフさせる場合には（時刻ｔ１，ｔ３，…）、バネ１９は使用されず、バネ１９のエネルギーＥ１は変化しない。真空遮断器Ｓ１をオンさせる場合には（時刻ｔ２，ｔ５，…）、バネ１９が放勢され、バネ１９のエネルギーＥ１は高値から低値に減少する。

　バネ１９が放勢されると、駆動部２０（図２）によってバネ１９が直ちに蓄勢される。バネ１９の蓄勢が開始されると、バネ１９のエネルギーＥ１は徐々に増大する。バネ１９のエネルギーＥ１を低値から高値まで増大させるためには、所定の時間Ｔｃが必要となる。

　図３に示すように、復電してから停電し、再度復電するまでの時間が所定時間Ｔｃよりも長い場合には（たとえば時刻ｔ２～ｔ５）、復電時ｔ５にはバネ１９の蓄勢が完了しているので、復電時ｔ５に真空遮断器Ｓ１をオンさせることができる。

　しかし、復電してから停電し、再度復電するまでの時間が所定時間Ｔｃよりも短い場合には（たとえば時刻ｔ７～ｔ９）、復電時ｔ９には未だバネ１９の蓄勢が完了していないので、復電時ｔ９に真空遮断器Ｓ１をオンさせることができない。

　したがって、入力端子Ｔ１とバイパス回路１の一方端子１ａとの間に１つの真空遮断器Ｓ１のみを接続した場合には、商用交流電源４の停電と復電が短時間内に繰り返されるときには対応することができない。

　次に図４は、入力端子Ｔ１とバイパス回路１の一方端子１ａとの間に２つの真空遮断器Ｓ１，Ｓ２が接続されている場合における真空遮断器Ｓ１，Ｓ１の動作を例示するタイムチャートである。図４において、（Ａ）は商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩの実効値を示し、（Ｂ）は真空遮断器Ｓ１のオンおよびオフ状態を示し、（Ｃ）は真空遮断器Ｓ１のバネ１９のエネルギーＥ１を示し、（Ｄ）は真空遮断器Ｓ２のオンおよびオフ状態を示し、（Ｅ）は真空遮断器Ｓ２のバネ１９のエネルギーＥ２を示し、（Ｆ）は直列接続された２つの真空遮断器Ｓ１，Ｓ２によって構成される１つの機械スイッチＳ３のオンおよびオフ状態を示している。

　図３と同様、図面および説明の簡単化のため、電力変換器２の交流端子２ａは出力端子Ｔ２から切り離されているものとする。したがって、商用交流電源４の停電時に、電力変換器２の交流出力電圧ＶＯがバイパス回路１の一方端子１ａに現れることはない。

　図４では、図３と同じタイミングで、商用交流電源４の停電と復電が繰り返されている場合が示されている。商用交流電源４の健全時には交流電圧ＶＩは高値となり、商用交流電源４の停電時には交流電圧ＶＩは低値になる。

　初期状態では、商用交流電源４は健全であり、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２はともにオンされ、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２のバネ１９のエネルギーＥ１，Ｅ２は高値にされ、機械スイッチＳ３はオンされているものとする。

　ある時刻ｔ１において、商用交流電源４の停電が発生すると、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２のうちの前回オフされた真空遮断器Ｓ２と異なる真空遮断器Ｓ１がオフされ、機械スイッチＳ３がオフする。

　時刻ｔ２において、商用交流電源４が復電すると、真空遮断器Ｓ１のバネ１９が放勢されて真空遮断器Ｓ１がオンされ、機械スイッチＳ３がオンされる。真空遮断器Ｓ１のバネ１９が放勢されると、そのバネ１９の蓄勢が直ちに開始され、そのバネ１９のエネルギーＥ１が徐々に増大する。時刻ｔ２から所定時間Ｔｃだけ経過した時刻ｔ４に、バネ１９のエネルギーＥ１は高値になり、真空遮断器Ｓ１のバネ１９の蓄勢は完了する。

　時刻ｔ３において、再び商用交流電源４の停電が発生すると、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２のうちの前回オフされた真空遮断器Ｓ１と異なる真空遮断器Ｓ２がオフされ、機械スイッチＳ３がオフする。

　時刻ｔ５において、再び商用交流電源４が復電すると、真空遮断器Ｓ２のバネ１９が放勢されて真空遮断器Ｓ２がオンされ、機械スイッチＳ３がオンされる。真空遮断器Ｓ２のバネ１９が放勢されると、そのバネ１９の蓄勢が直ちに開始され、そのバネ１９のエネルギーＥ２が徐々に増大する。時刻ｔ５から所定時間Ｔｃだけ経過した時刻ｔ７に、バネ１９のエネルギーＥ２は高値になり、真空遮断器Ｓ２のバネ１９の蓄勢は完了する。

　図４に示すように、本実施の形態では、一方の真空遮断器（たとえばＳ１）をオフおよびオンさせ、その真空遮断器Ｓ１のバネ１９を蓄勢している期間に、他方の真空遮断器（この場合はＳ２）をオフおよびオンさせる（たとえば時刻ｔ６～ｔ１０）。したがって、復電してから停電し、再度復電するまでの時間が所定時間Ｔｃよりも短い場合でも（たとえば時刻ｔ７～ｔ９）、復電時ｔ９に真空遮断器Ｓ２をオンさせることができる。

　よって、図４に示すように、商用交流電源４の停電と復電が短時間内に繰り返される場合でも、停電時に機械スイッチＳ３をオフさせ、復電時に機械スイッチＳ３をオンさせることができ、機械スイッチＳ３（すなわち真空遮断器Ｓ１，Ｓ２）を正常に動作させることができる。

　図５は、バイパス回路１の構成を示すブロック図である。図５において、バイパス回路１は、一方端子１ａと他方端子１ｂとの間に直列接続された複数段の交流スイッチ２１を含む。初段の交流スイッチ２１の一方端子２１ａは、バイパス回路１の一方端子１ａに接続される。２段目以降の各交流スイッチ２１の一方端子２１ａは前段の交流スイッチ２１の他方端子１２ｂに接続され、２段目以降の各交流スイッチ２１の他方端子２１ｂは後段の交流スイッチ２１の一方端子１２ａに接続される。最終段の交流スイッチ２１の他方端子２１ｂは、バイパス回路１の他方端子１ｂすなわち出力端子Ｔ２（図１）に接続される。

　複数の交流スイッチ２１は、制御装置３によって制御される。商用交流電源４の健全時には、複数の交流スイッチ２１がともにオンされ、バイパス回路１がオンする。商用交流電源４の停電時には、複数の交流スイッチ２１がともにオフされ、バイパス回路１がオフする。

　図６は、交流スイッチ２１の構成を示す回路図である。図６において、交流スイッチ２１は、一方端子２１ａおよび他方端子２１ｂ間に並列接続された半導体スイッチ２２、スナバ回路２３、およびバリスタ２６を含む。

　半導体スイッチ２２は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を含む。ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のコレクタは互いに接続され、それらのエミッタはそれぞれ端子２１ａ，２１ｂに接続される。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれＩＧＢＴＱ１，Ｑ２に対して逆並列に接続される。ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の各々のオンおよびオフは、制御装置３によって制御される。

　商用交流電源４の健全時において、商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩが正電圧である期間には、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートがそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルにされる。これにより、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２がそれぞれオフ状態およびオン状態になり、一方端子２１ａからダイオードＤ１およびＩＧＢＴＱ２を介して他方端子２１ｂに電流が流れる。

　また、商用交流電源４の健全時において、商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩが負電圧である期間には、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートがそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされる。これにより、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２がそれぞれオン状態およびオフ状態になり、他方端子２１ｂからダイオードＤ２およびＩＧＢＴＱ１を介して一方端子２１ａに電流が流れる。したがって、商用交流電源４の健全時には、半導体スイッチ２２はオンされる。

　また、商用交流電源４の停電時には、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートはともに「Ｌ」レベルにされ、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２はともにオフされる。したがって、商用交流電源４の停電時には、半導体スイッチ２２はオフされる。

　特許文献１に記載されているように、互いに逆並列に接続された一対のサイリスタによってバイパス回路を構成する方法もある。しかし、この方法では、サイリスタを流れる電流が０Ａになるまでサイリスタはオフしないので、バイパス回路の遮断時間が長くなる。

　これに対して本実施の形態では、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を含む半導体スイッチ２２を用いてバイパス回路１を構成するので、バイパス回路１の遮断時間を短くすることができる。しかし、この半導体スイッチ２２には、サイリスタと比べて、サージ電圧に弱いという短所がある。そこで、本実施の形態では、スナバ回路２３およびバリスタ２６の各々を半導体スイッチ２２に並列接続している。

　スナバ回路２３は、端子２１ａ，２１ｂ間に直列接続された抵抗素子２４およびコンデンサ２５を含む。半導体スイッチ２２に電流が流れている場合に、半導体スイッチ２２を突然オフさせると、自己インダクタンスによって端子間２１ａ，２１ｂにサージ電圧が発生する。スナバ回路２３は、そのようなサージ電圧を抑制することによって半導体スイッチ２２を保護する。

　バリスタ２６は、端子２１ａ，２１ｂ間に接続される。端子２１ａ，２１ｂ間の電圧がしきい値電圧よりも低い場合には、バリスタ２６の抵抗値は高値となる。端子２１ａ，２１ｂ間の電圧がしきい値電圧を超えると、バリスタ２６の抵抗値は低値となる。したがって、端子２１ａ，２１ｂ間の電圧がしきい値電圧を超えることを防止し、半導体スイッチ２２がサージ電圧によって破損されることを防止することができる。

　したがって、本実施の形態では、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を含む半導体スイッチ２２を用いてバイパス回路１を構成したので、一対のサイリスタによってバイパス回路を構成する場合と比べ、商用交流電源４の停電が発生した場合に、バイパス回路１を迅速にオフさせ、商用交流電源４と負荷５の間を短時間で遮断することができる。また、半導体スイッチ２２にスナバ回路２３およびバリスタ２６の各々を並列接続したので、サージ電圧によって半導体スイッチ２２が破壊されることを防止することができる。

　しかし、直列接続された抵抗素子２４およびコンデンサ２５を含むスナバ回路２３は、交流電圧を伝達する。したがって、商用交流電源４の停電時に、半導体スイッチ２２をオフさせた場合でも、電力変換器２（図１）によって生成される交流電圧ＶＯが複数段のスナバ回路２３を介してバイパス回路１の一方端子１ａに伝達される。

　また、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２の遮断時間は半導体スイッチ２２の遮断時間と比べて長いので、真空遮断器Ｓ１またはＳ２が未だオフしていない場合には、電力変換器２によって生成される交流電圧ＶＯが複数段のスナバ回路２３および真空遮断器Ｓ１，Ｓ２を介して入力端子Ｔ１に伝達される。

　この場合、実際には商用交流電源４は停電しているのに、入力端子Ｔ１の交流電圧ＶＩに基づいて商用交流電源４が復電したと判別され、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１がオンされ、電力変換器２の直流－交流変換動作が停止されるおそれがある。電力変換器２の直流－交流変換動作が停止されると、電力変換器２から交流電圧ＶＯの出力が停止され、再び商用交流電源４の停電が発生したと判別される。

　したがって、電力変換器２からの交流電圧ＶＯの出力と停止が繰り返されることとなり、負荷５を正常に運転することができなくなる。そこで、本実施の形態では、制御装置３は、商用交流電源４の停電が発生してから所定時間Ｔｄが経過した後に、商用交流電源４が復電したか否かを判別する。所定時間Ｔｄは、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２の各々をオフさせるために必要な遮断時間よりも長い時間に設定される。次に、そのような復電検出方法を実現する構成について説明する。

　図７は、制御装置３の構成を示すブロック図である。図７において、制御装置３は、電圧検出器３０～３２、停電検出器３３、復電検出器３４、および制御部３５を含む。電圧検出器３０は、入力端子Ｔ１の交流電圧ＶＩの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号φ３０を出力する。電圧検出器３１は、出力端子Ｔ２の交流電圧ＶＯの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号φ３１を出力する。電圧検出器３２は、バッテリ端子Ｔ３の直流電圧ＶＢの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号φ３２を出力する。

　停電検出器３３は、電圧検出器３０の出力信号φ３０によって示される交流電圧ＶＩの実効値と下限値との高低を比較し、比較結果に基づいて停電検出信号φ３３を出力する。交流電圧ＶＩの実効値が下限値よりも高い場合には、停電検出信号φ３３は非活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。交流電圧ＶＩの実効値が下限値よりも低下した場合には、停電検出信号φ３３は活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

　復電検出器３４は、停電検出信号φ３３が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられてから所定時間Ｔｄだけ経過した後に、電圧検出器３０の出力信号φ３０によって示される交流電圧ＶＩの実効値と下限値との高低を比較し、比較結果に基づいて復電検出信号φ３４を出力する。交流電圧ＶＩの実効値が下限値よりも低い場合には、復電検出信号φ３４は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。交流電圧ＶＩの実効値が下限値よりも上昇した場合には、復電検出信号φ３４は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。

　制御部３５は、電圧検出器３０～３２の出力信号φ３０～φ３２、停電検出信号φ３３、および復電検出信号φ３４に基づいて、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２、バイパス回路１、および電力変換器２を制御する。

　図８は、図７に示した制御装置３の動作を示すタイムチャートである。図８において、（Ａ）は入力端子Ｔ１の交流電圧ＶＩの実効値を示し、（Ｂ）は出力端子Ｔ２の交流電圧ＶＯの実効値を示し、（Ｃ）は停電検出信号φ３３の波形を示し、（Ｄ）は復電検出信号φ３４の波形を示し、（Ｅ）は真空遮断器Ｓ１のオンおよびオフ状態を示し、（Ｆ）は真空遮断器Ｓ２のオンおよびオフ状態を示している。

　図８において、初期状態では、商用交流電源４は健全であり、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１はオンされているものとする。このとき、交流電圧ＶＩは商用交流電源４から真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１を介して出力端子Ｔ２に供給され、交流電圧ＶＩ，ＶＯはともに高値にされている。また、停電検出信号φ３３は非活性化レベルの「Ｈ」レベルにされ、復電検出信号φ３４は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされている。

　ある時刻ｔ１において、商用交流電源４の停電が発生すると、交流電圧ＶＩ，ＶＯが低値に低下し、停電検出信号φ３３が活性化レベルの「Ｌ」レベルにされるとともに、復電検出信号φ３４が非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

　停電検出信号φ３３が活性化レベルの「Ｌ」レベルにされると、制御部３５は、バイパス回路１の各半導体スイッチ２２をオフさせ、前回オフさせた真空遮断器（Ｓ２とする）と異なる真空遮断器Ｓ１にオフ指令信号Ｓ１ｏｆｆ（図２）を出力し、電力変換器２に直流－交流変換動作を実行させる。真空遮断器Ｓ１は、オフ指令信号Ｓ１ｏｆｆに応答して遮断動作を開始し、遮断時間の経過後の時刻ｔ２にオフする。

　電力変換器２は、制御部３５からの指令に従って、バッテリ６の直流電圧ＶＢを交流電圧ＶＯに変換して出力端子Ｔ２に出力する。この交流電圧ＶＯは、負荷５に供給される一方、バイパス回路１に含まれる複数のスナバ回路２３（図６）と、真空遮断器Ｓ１，Ｓ２を介して入力端子Ｔ１に伝達され、交流電圧ＶＩとして電圧検出器３０によって検出され、停電検出信号φ３３が非活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる（時刻ｔ１～ｔ２）。

　この期間（時刻ｔ１～ｔ２）内に復電検出器３４が電圧検出器３０の出力信号φ３０に基づいて商用交流電源４が復電したか否かを判別すると、実際には未だ復電していないのに、復電したと誤認してしまう。そこで、本実施の形態の復電検出器３４は、停電から所定時間Ｔｄだけ経過するまでの期間（時刻ｔ１～ｔ３）には、復電したか否かの判別を停止し、停電（時刻１）から所定時間Ｔｄだけ経過した後の時刻ｔ３に、復電したか否かの判別を開始する。この所定時間Ｔｄは真空遮断器Ｓ１の遮断時間よりも長いので、時刻ｔ３には真空遮断器Ｓ１はオフしている。

　真空遮断器Ｓ１がオフすると（時刻ｔ２）、電力変換器２の交流出力電圧ＶＯが入力端子Ｔ１まで伝達されなくなり、交流電圧ＶＩが低値に減少し、停電検出信号φ３３が活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。時刻ｔ３において、復電検出器３４による復電したかどうかの判別が再開され、復電検出信号φ３４は非活性化レベルの「Ｌ」レベルに維持される。

　時刻ｔ４において、商用交流電源４が復電すると、商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩが高値に上昇する。交流電圧ＶＩが高値に上昇すると、停電検出信号φ３３は非活性化レベルの「Ｈ」レベルにされ、復電検出信号φ３４は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。

　復電検出信号φ３４が「Ｈ」レベルにされると、制御部３５は、交流電圧ＶＯの位相が交流電圧ＶＩの位相に一致するように電力変換器２を制御する。交流電圧ＶＯ，ＶＩの位相が一致すると、制御部３５は、バイパス回路１をオンさせるとともに、真空遮断器Ｓ１にオン指令信号Ｓ１ｏｎ（図２）を出力する。真空遮断器Ｓ１がオンすると（時刻ｔ５）、商用交流電源４から真空遮断器Ｓ１，Ｓ２およびバイパス回路１を介して負荷５に交流電力が供給される。制御部３５は、電力変換器２に交流－直流変換動作を実行させる。

　以上のように、この実施の形態では、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を含む半導体スイッチ２２を用いてバイパス回路１を構成したので、一対のサイリスタを用いてバイパス回路を構成した場合に比べ、商用交流電源４の停電が発生したときに、バイパス回路１を迅速に遮断し、商用交流電源４と負荷５とを迅速に切り離すことができる。

　また、入力端子Ｔ１とバイパス回路１の一方端子１ａとの間に２つの真空遮断器Ｓ１，Ｓ２を直列接続し、商用交流電源４の健全時には、２つの真空遮断器Ｓ１，Ｓ２をともにオンさせ、商用交流電源４の停電時には、前回の停電時にオフさせた真空遮断器（たとえばＳ１）と異なる真空遮断器（この場合はＳ２）をオフさせる。したがって、商用交流電源４の停電時に、電力変換器２の交流出力電圧がバイパス回路１を介して入力端子Ｔ１に現れることを防止し、無停電電源装置の誤動作を防止することができる。

　しかも、商用交流電源４の停電が発生してから所定時間Ｔｄ（図８）の経過後に復電したかどうかを判別するので、電力変換器２からバイパス回路１および真空遮断器Ｓ２，Ｓ１を介して供給される交流電圧を検出して復電したと誤って判別することを防止することができる。

　また、前回の停電および復電時にオフおよびオンさせた真空遮断器（たとえばＳ１）と異なり、既にバネ１９が蓄勢されている真空遮断器（この場合はＳ２）をオフさせるので、商用交流電源４が復電した場合には真空遮断器Ｓ１，Ｓ２を迅速にオンさせることができる。また、高価な高速機械スイッチを使用せずに、安価な真空遮断器Ｓ１，Ｓ２を使用するので、装置の低コスト化を図ることができる。したがって、高速かつ安定に動作する低価格の無停電電源装置を実現することができる。

　なお、この実施の形態では、入力端子Ｔ１とバイパス回路１の一方端子１ａとの間に２つの真空遮断器Ｓ１，Ｓ２を直列接続したが、これに限るものではなく、入力端子Ｔ１とバイパス回路１の一方端子１ａとの間にＮ個（Ｎは３以上の整数である）の真空遮断器を直列接続しても構わない。この場合は、Ｎ回の停電および復電が発生した場合、Ｎ個の真空遮断器を１つずつ順次オフおよびオンさせればよい。

　図９は、実施の形態の変更例を示す回路図であって、図６と対比される図である。図９を参照して、この変更例が実施の形態と異なる点は、半導体スイッチ２２が半導体スイッチ２２Ａと置換されている点である。半導体スイッチ２２Ａは、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２を含む。ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のエミッタは互いに接続され、それらのコレクタはそれぞれ端子２１ａ，２１ｂに接続される。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれＩＧＢＴＱ１，Ｑ２に対して逆並列に接続される。ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２の各々のオンおよびオフは、制御装置３によって制御される。

　商用交流電源４の健全時において、商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩが正電圧である期間には、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートがそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされる。これにより、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２がそれぞれオン状態およびオフ状態になり、一方端子２１ａからＩＧＢＴＱ１およびダイオードＤ２を介して他方端子２１ｂに電流が流れる。

　また、商用交流電源４の健全時において、商用交流電源４から供給される交流電圧ＶＩが負電圧である期間には、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートがそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルにされる。これにより、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２がそれぞれオフ状態およびオン状態になり、他方端子２１ｂからＩＧＢＴＱ２およびダイオードＤ１を介して一方端子２１ａに電流が流れる。したがって、商用交流電源４の健全時には、半導体スイッチ２２Ａはオンされる。

　また、商用交流電源４の停電時には、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２のゲートはともに「Ｌ」レベルにされ、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２はともにオフされる。したがって、商用交流電源４の停電時には、半導体スイッチ２２Ａはオフされる。

　この変更例でも、実施の形態と同じ効果が得られる。他の構成および動作は、実施の形態と同じであるので、その説明は繰り返さない。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　Ｔ１　入力端子、Ｔ２　出力端子、Ｔ３　バッテリ端子、Ｓ１，Ｓ２　真空遮断器、１　バイパス回路、２　電力変換器、３　制御装置、４　商用交流電源、５　負荷、６　バッテリ、１０　真空バルブ、１１，１２　電極、１３，１４　導体、１５，１６　外部端子、１７　操作ロッド、１８　操作機構部、１９　バネ、２０　駆動部、２１　交流スイッチ、２２，２２Ａ　半導体スイッチ、２３　スナバ回路、２４　抵抗素子、２５　コンデンサ、２６　バリスタ、Ｑ１，Ｑ２　ＩＧＢＴ、Ｄ１，Ｄ２　ダイオード、３０～３２　電圧検出器、３３　停電検出器、３４　復電検出器、３５　制御部。

Claims

　交流電源から供給される交流電力を受ける入力端子と、
　負荷に接続される出力端子と、
　前記入力端子と前記出力端子との間に直列接続された複数の機械スイッチおよびバイパス回路と、
　前記交流電源の健全時には、前記複数の機械スイッチおよび前記バイパス回路をともにオンさせ、前記交流電源の停電時には、前記複数の機械スイッチのうちの前回の停電時にオフさせた機械スイッチと異なる機械スイッチをオフさせるとともに前記バイパス回路をオフさせる制御装置と、
　前記交流電源の停電時に、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して前記出力端子に出力する電力変換器とを備える、電源装置。
　前記機械スイッチの各々は真空遮断器である、請求項１に記載の電源装置。
　前記真空遮断器は、
　一対の電極と、
　バネと、
　前記バネを蓄勢する駆動部と、
　前記真空遮断器をオフさせる場合には前記一対の電極を離間させ、前記真空遮断器をオンさせる場合には、前記バネの放勢力を用いて前記一対の電極を接触させる操作機構部とを含む、請求項２に記載の電源装置。
　前記バイパス回路は、互いに並列接続された半導体スイッチおよびスナバ回路を含む、請求項１に記載の電源装置。
　前記半導体スイッチは、第１および第２の端子と、第１および第２のトランジスタと、第１および第２のダイオードとを含み、
　前記第１および第２のトランジスタの第１の電極は互いに接続され、
　前記第１および第２のトランジスタの第２の電極はそれぞれ前記第１および第２の端子に接続され、
　前記第１および第２のダイオードは、それぞれ前記第１および第２のトランジスタに対して逆並列に接続され、
　前記スナバ回路は、前記第１および第２の端子間に接続される、請求項４に記載の電源装置。
　前記スナバ回路は、直列接続された抵抗素子およびコンデンサを含む、請求項４に記載の電源装置。
　前記制御装置は、
　前記入力端子の交流電圧を検出する電圧検出器と、
　前記電圧検出器によって検出された交流電圧が正常範囲内でない場合に停電検出信号を出力する停電検出器と、
　前記停電検出器から前記停電検出信号が出力されてから予め定められた時間が経過し、かつ前記電圧検出器によって検出された交流電圧が正常範囲内である場合に復電検出信号を出力する復電検出器と、
　前記停電検出信号に応答して、前記複数の機械スイッチのうちの前回の停電時にオフさせた機械スイッチと異なる機械スイッチをオフさせるとともに、前記バイパス回路をオフさせ、前記復電検出信号に応答して、前記複数の機械スイッチおよび前記バイパス回路をともにオンさせる制御部とを含み、
　前記予め定められた時間は、前記機械スイッチの遮断時間よりも長い、請求項１に記載の電源装置。
　前記直流電源は、直流電力を蓄える電力貯蔵装置を含み、
　前記電力変換器は、前記交流電源の健全時には、前記交流電源から前記複数の機械スイッチおよび前記バイパス回路を介して供給される交流電力を直流電力に変換して前記電力貯蔵装置に蓄え、前記交流電源の停電時には、前記電力貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して前記出力端子に出力する、請求項１に記載の電源装置。