WO2023195127A1

WO2023195127A1 - 無停電電源装置

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Publication number: WO2023195127A1
Application number: PCT/JP2022/017259
Authority: WO
Inventors: 淳松本
Original assignee: 東芝三菱電機産業システム株式会社
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-12
Also published as: JPWO2023195127A1; JP7406005B1; KR20240006035A; CN117441280A

Abstract

この無停電電源装置１では、第２の参照電圧（ＶＢＲ）を設定するための操作部（１１）と、設定された第２の参照電圧よりも高く、第１の参照電圧（ＶＤＲ）の最大値（ＶＤＲmax）よりも低い第１の参照電圧を求める演算部（２１）と、演算部によって求められた第１の参照電圧を生成する第１の参照電圧発生部（２２）と、操作部によって設定された第２の参照電圧を生成する第２の参照電圧発生部（３２）とを備える。したがって、直流ライン（４）の電圧（ＶＤ）を第１の参照電圧の最大値よりも低くして、無停電電源装置１の効率の向上を図ることができる。

Description

無停電電源装置

　本開示は無停電電源装置に関し、特に、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する無停電電源装置に関する。

　たとえば国際公開第２０１６／０９２６１３号（特許文献１）には、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して直流ラインに供給する第１の電力変換器と、直流ラインと電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する第２の電力変換器と、直流ラインから受ける直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する第３の電力変換器と、第１～第３の電力変換器を制御する制御装置とを備える無停電電源装置が開示されている。

　制御装置は、交流電源の健全時には、直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧になるように第１の電力変換器を制御し、電力貯蔵装置の端子間電圧が第２の参照電圧になるように第２の電力変換器を制御し、交流電圧を出力するように第３の電力変換器を制御する。

　また、制御装置は、交流電源の停電時には、第１の電力変換器の運転を停止させ、直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧になるように第２の電力変換器を制御し、交流電圧を出力するように第３の電力変換器を制御する。

国際公開第２０１６／０９２６１３号

　このような無停電電源装置では、直流ラインの電圧（すなわち第１の参照電圧）を電力貯蔵装置の電圧（すなわち第２の参照電圧）よりも高くする必要がある。また、電力貯蔵装置の浮動充電を行なう場合に電力貯蔵装置に印加する直流電圧（すなわち第２の参照電圧）は、電力貯蔵装置の種類によって異なる。

　また、電力貯蔵装置の種類によっては、定期的に電力貯蔵装置の端子間電圧（すなわち第２の参照電圧）を上昇させて均等充電を行なう必要がある。さらに、正弦波状の交流電圧を負荷に供給するためには、直流ラインの電圧（すなわち第１の参照電圧）を交流電圧の振幅の２倍の電圧よりも高くする必要がある。

　従来は、これらの全ての条件を満たすために、第１の電力変換器が安定に出力することが可能な直流電圧の最大値（すなわち第１の参照電圧の最大値）に第１の参照電圧を設定していた。しかし、直流ラインの電圧（すなわち第１の参照電圧）を上昇させると、第１～第３の電力変換器に含まれる各トランジスタのスイッチング損失が増大し、無停電電源装置の効率が低下する。

　それゆえに、本開示の主たる目的は、効率の向上を図ることが可能な無停電電源装置を提供することである。

　本開示に係る無停電電源装置は、第１～第３の電力変換器と、第１～第３の制御部と、設定部と、演算部と、第１および第２の参照電圧発生部とを備える。第１の電力変換器は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して直流ラインに供給する。第２の電力変換器は、直流ラインと電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する。第３の電力変換器は、直流ラインから受ける直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する。

　第１の制御部は、交流電源の健全時には、直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧になるように第１の電力変換器を制御し、交流電源の停電時には、第１の電力変換器の運転を停止させる。第２の制御部は、交流電源の健全時には、電力貯蔵装置の端子間電圧が第２の参照電圧になるように第２の電力変換器を制御し、交流電源の停電時には、直流電圧が第１の参照電圧になるように第２の電力変換器を制御する。第３の制御部は、第３の電力変換器を制御して交流電圧を出力させる。

　設定部は、第２の参照電圧を設定するために設けられる。演算部は、設定部によって設定された第２の参照電圧よりも高く、かつ第１の参照電圧の最大値よりも低い第１の参照電圧を求める。第１の参照電圧発生部は、演算部によって求められた第１の参照電圧を生成して第１の制御部に与える。第２の参照電圧発生部は、設定部によって設定された第２の参照電圧を生成して第２の制御部に与える。

　本開示に係る無停電電源装置では、設定部によって設定された第２の参照電圧よりも高く、第１の参照電圧の最大値よりも低い第１の参照電圧を生成して第１の制御部に与える。したがって、第１の参照電圧を最大値よりも低い値にすることができ、無停電電源装置の効率の向上を図ることができる。

本開示の一実施の形態に従う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に示す制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。図１に示す制御装置のうちのコンバータの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図３に示す記憶部に格納された数式（またはテーブル）を説明するための図である。図１に示す制御装置のうちの双方向チョッパの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図５に示す参照電圧ＶＢＲと図３に示す参照電圧ＶＤＲの波形を示すタイムチャートである。図１に示す制御装置のうちのインバータの制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。

　図１は、本開示の一実施の形態に従う無停電電源装置１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１は、交流入力端子Ｔ１、バイパス入力端子Ｔ２、バッテリ端子Ｔ３、および交流出力端子Ｔ４を備える。交流入力端子Ｔ１は、商用交流電源５１から商用周波数の交流電力を受ける。バイパス入力端子Ｔ２は、バイパス交流電源５２から商用周波数の交流電力を受ける。バイパス交流電源５２は、商用交流電源であってもよいし、発電機であってもよい。

　バッテリ端子Ｔ３は、バッテリ（電力貯蔵装置）５３に接続される。バッテリ５３は、直流電力を蓄える。バッテリ５３は、鉛蓄電池でもよいし、リチウムイオン電池でも構わない。また、バッテリ５３の代わりに電気二重層コンデンサや、フライホイールが接続されていても構わない。

　本実施の形態では、バッテリ５３は、直列接続された複数のセルを含む鉛蓄電池であるものとする。このようなバッテリ５３は、浮動充電と均等充電を必要とする。交流出力端子Ｔ４は、負荷５４に接続される。負荷５４は、無停電電源装置１から供給される交流電力によって駆動される。

　この無停電電源装置１は、さらに、電磁接触器２，６，８，１０、電流検出器ＣＤ１～ＣＤ３、コンデンサＣ１～Ｃ３、リアクトルＬ１～Ｌ３、コンバータ３、直流ライン４、双方向チョッパ５、インバータ７、半導体スイッチ９、操作部１１、および制御装置１２を備える。

　電磁接触器２およびリアクトルＬ１は、交流入力端子Ｔ１とコンバータ３の交流ノード３ａとの間に直列接続される。電磁接触器２は、制御装置１２によって制御される。商用交流電源５１から交流電力が正常に供給されている場合（商用交流電源５１の健全時）には、電磁接触器２はオンされる。商用交流電源５１からの交流電力が正常に供給されなくなった場合（商用交流電源５１の停電時）には、電磁接触器２はオフされる。電流検出器ＣＤ１は、商用交流電源５１とコンバータ３の間に流れる電流Ｉ１を検出し、その検出値を示す信号Ｉ１ｆを制御装置１２に出力する。

　電磁接触器２とリアクトルＬ１の間のノードＮ１に現れる交流入力電圧ＶＩの瞬時値は、制御装置１２によって検出される。制御装置１２は、交流入力電圧ＶＩの検出値に基づいて、停電が発生したか否かを判別する。また、制御装置１２は、交流入力電圧ＶＩに同期してコンバータ３などを制御する。

　コンデンサＣ１は、ノードＮ１に接続される。コンデンサＣ１およびリアクトルＬ１は、交流フィルタＦ１を構成する。交流フィルタＦ１は、低域通過フィルタであり、商用交流電源５１からコンバータ３に商用周波数の交流電力を通過させ、コンバータ３で発生するスイッチング周波数の信号が商用交流電源５１に通過することを防止する。

　コンバータ３は、複数のトランジスタおよび複数のダイオードを含む周知のものであり、制御装置１２によって制御される。商用交流電源５１の健全時には、コンバータ３は、交流電力を直流電力に変換して直流ライン４に出力する。コンバータ３の出力電圧は、所望の値に制御可能になっている。

　商用交流電源５１の停電時には、コンバータ３の運転は停止される。コンデンサＣ２は、直流ライン４に接続され、直流ライン４の電圧を平滑化させる。直流ライン４に現れる直流電圧ＶＤの瞬時値は、制御装置１２によって検出される。

　制御装置１２は、商用交流電源５１の健全時には、直流ライン４の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲ（第１の参照電圧）になるようにコンバータ３を制御する。交流フィルタＦ１およびコンバータ３は、交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換器の一実施例を構成する。

　直流ライン４は双方向チョッパ５の高電圧側ノード５ａに接続され、双方向チョッパ５の低電圧側ノード５ｂはリアクトルＬ２および電磁接触器６を介してバッテリ端子Ｔ３に接続される。電磁接触器６は、無停電電源装置１の使用時はオンされ、たとえば無停電電源装置１およびバッテリ５３のメンテナンス時にオフされる。リアクトルＬ２は、双方向チョッパ５とバッテリ５３の間に流れる電流Ｉ２を平滑化する。

　双方向チョッパ５は、複数のトランジスタおよび複数のダイオードを含む周知のものであり、制御装置１２によって制御される。商用交流電源５１の健全時には、双方向チョッパ５は、コンバータ３によって生成される直流電力をバッテリ５３に蓄える。商用交流電源５１の停電時には、双方向チョッパ５は、バッテリ５３の直流電力を直流ライン４を介してインバータ７に供給する。

　双方向チョッパ５は、直流電力をバッテリ５３に蓄える場合には、直流ライン４の直流電圧ＶＤを降圧してバッテリ５３に与える。また、双方向チョッパ５は、バッテリ５３の直流電力をインバータ７に供給する場合は、バッテリ５３の端子間電圧ＶＢを昇圧して直流ライン４に出力する。

　電流検出器ＣＤ２は、双方向チョッパ５とバッテリ５３の間に流れる電流Ｉ２を検出し、その検出値を示す信号Ｉ２ｆを制御装置１２に出力する。バッテリ端子Ｔ３に現れるバッテリ５３の端子間電圧ＶＢの瞬時値は、制御装置１２によって検出される。

　制御装置１２は、商用交流電源５１の健全時には、バッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲ（第２の参照電圧）になるように双方向チョッパ５を制御し、商用交流電源５１の停電時には、直流ライン４の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるように双方向チョッパ５を制御する。双方向チョッパ５およびリアクトルＬ２は、直流ライン４とバッテリ５３の間で直流電力を授受する第２の電力変換器の一実施例を構成する。直流ライン４は、インバータ７の直流ノードに接続されている。

　インバータ７は、複数のトランジスタおよび複数のダイオードを含む周知のものであり、制御装置１２によって制御される。インバータ７は、コンバータ３または双方向チョッパ５から直流ライン４を介して供給される直流電力を商用周波数の交流電力に変換して出力ノード７ａに出力する。

　すなわちインバータ７は、商用交流電源５１の健全時には、コンバータ３から直流ライン４を介して供給される直流電力を交流電力に変換し、商用交流電源５１の停電時には、バッテリ５３から双方向チョッパ５を介して供給される直流電力を交流電力に変換する。インバータ７の出力電圧は所望の値に制御可能になっている。

　インバータ７の出力ノード７ａはリアクトルＬ３を介して電磁接触器８の一方端子（ノードＮ２）に接続され、電磁接触器８の他方端子は交流出力端子Ｔ４に接続される。コンデンサＣ３は、ノードＮ２に接続される。リアクトルＬ３およびコンデンサＣ３は、交流フィルタＦ２を構成する。交流フィルタＦ２は、低域通過フィルタであり、インバータ７で生成された商用周波数の交流電力を交流出力端子Ｔ４に通過させ、インバータ７で発生するスイッチング周波数の信号が交流出力端子Ｔ４に通過することを防止する。

　電磁接触器８は、制御装置１２によって制御され、インバータ７によって生成された交流電力を負荷５４に供給するインバータ給電モード時にはオンされ、バイパス交流電源５２からの交流電力を負荷５４に供給するバイパス給電モード時にはオフされる。

　ノードＮ３に現れる交流出力電圧ＶＯの瞬時値は、制御装置１２によって検出される。電流検出器ＣＤ３は、インバータ７と負荷５４の間に流れる電流Ｉ３を検出し、その検出値を示す信号Ｉ３ｆを制御装置１２に与える。

　制御装置１２は、交流出力電圧ＶＯが正弦波状の参照電圧ＶＯＲになるようにインバータ７を制御する。インバータ７および交流フィルタＦ２は、直流電力を交流電力に変換する第３の電力変換器の一実施例を構成する。

　半導体スイッチ９は、互いに逆並列に接続された一対のサイリスタを含み、バイパス入力端子Ｔ２と交流出力端子Ｔ４の間に接続される。電磁接触器１０は、半導体スイッチ９に並列接続される。半導体スイッチ９は、制御装置１２によって制御され、通常はオフし、インバータ７が故障した場合に瞬時にオンし、バイパス交流電源５２からの交流電力を負荷５４に供給する。半導体スイッチ９は、オンしてから所定時間経過後にオフする。

　電磁接触器１０は、インバータ７によって生成された交流電力を負荷５４に供給するインバータ給電モード時にはオフされ、バイパス交流電源５２からの交流電力を負荷５４に供給するバイパス給電モード時にはオンされる。また電磁接触器１０は、インバータ７が故障した場合にオンし、バイパス交流電源５２からの交流電力を負荷５４に供給する。つまり、インバータ７が故障した場合は、半導体スイッチ９が瞬時に所定時間だけオンするとともに電磁接触器１０がオンする。これは、半導体スイッチ９が電流によって過熱されて破損するのを防止するためである。

　操作部１１は、無停電電源装置１の使用者によって操作される複数のボタン、種々の情報を表示する画像表示部などを含む。使用者が操作部１１を操作することにより、無停電電源装置１の電源をオンおよびオフしたり、バイパス給電モード、インバータ給電モードなどのうちのいずれかのモードを選択することが可能となっている。

　また、使用者が操作部１１（設定部）を操作することにより、種々の情報を制御装置１２に記憶させることが可能となっている。種々の情報には、バッテリ５３を充電する場合に使用される参照電圧ＶＢＲが含まれる。参照電圧ＶＢＲは、バッテリ５３の浮動充電を行なうための参照電圧ＶＦと、バッテリ５３の均等充電を行なうための参照電圧Ｖｅとを含む。

　また、種々の情報には、参照電圧ＶＤＲと参照電圧ＶＢＲの関係を示す数式またはテーブルが含まれる。さらに、種々の情報には、バッテリ５３の均等充電を行なう周期ＴＥ１および実行時間ＴＥ２が含まれる。

　制御装置１２は、操作部１１を用いて設定された参照電圧ＶＢＲと、参照電圧ＶＤＲ，ＶＢＲの関係を示す数式またはテーブルとに基づいて、参照電圧ＶＤＲを求める。参照電圧ＶＤＲは、参照電圧ＶＢＲよりも高く、交流出力電圧ＶＯの振幅の２倍よりも高く、かつ参照電圧ＶＤＲの最高値よりも低い範囲内で、参照電圧ＶＢＲに応じた値となる。これについては、後で詳細に説明する。

　また、制御装置１２は、交流入力電圧ＶＩ、交流入力電流Ｉ１、直流電圧ＶＤ、バッテリ電圧ＶＢ、バッテリ電流Ｉ２、交流出力電圧ＶＯ、交流出力電流Ｉ３、参照電圧ＶＤＲ，ＶＢＲ，ＶＯＲ、操作部１１からの信号などに基づいて無停電電源装置１全体を制御する。

　図２は、制御装置１２のハードウェア構成例を示すブロック図である。代表的には、制御装置１２は、所定のプログラムが予め記憶されたマイクロコンピュータによって構成することができる。

　図２の例では、制御装置１２は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）１３と、メモリ１４と、入出力（Ｉ／Ｏ）回路１５とを含む。ＣＰＵ１３、メモリ１４およびＩ／Ｏ回路１５は、バス１６を経由して、相互にデータの授受が可能である。メモリ１４の一部領域にはプログラムが格納されており、ＣＰＵ１３が当該プログラムを実行することで、後述する各種機能を実現することができる。Ｉ／Ｏ回路１５は、制御装置１２の外部との間で信号およびデータを入出力する。

　あるいは、図２の例とは異なり、制御装置１２の少なくとも一部については、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）またはＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）などの回路を用いて構成することができる。また、制御装置１２の少なくとも一部について、アナログ回路によって構成することもできる。

　図３は、制御装置１２のうちのコンバータ３の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図３において、制御装置１２は、記憶部２０、演算部２１、参照電圧発生部２２（第１の参照電圧発生部）、停電検出器２３、および制御部２４（第１の制御部）を含む。図３に示された各ブロックの機能は、制御装置１２によるソフトウェア処理およびハードウェア処理の少なくとも一方によって実現することができる。

　記憶部２０には、参照電圧ＶＢＲと参照電圧ＶＤＲの関係を示す数式（またはテーブル）が格納されている。演算部２１は、参照電圧ＶＢＲを示す信号ＤＢＲと、記憶部２０内の数式（またはテーブル）とに基づいて、参照電圧ＶＢＲに応じた値の参照電圧ＶＤＲを求め、求めた参照電圧ＶＤＲの値を示す信号ＤＤＲを参照電圧発生部２２に出力する。参照電圧発生部２２は、信号ＤＤＲによって示される値の参照電圧ＶＤＲを生成して制御部２４に与える。参照電圧ＶＢＲを示す信号ＤＢＲについては後述する（図５）。

　図４は、参照電圧ＶＢＲと参照電圧ＶＤＲの関係を示す図である。図４において、横軸は参照電圧ＶＢＲを示し、縦軸は参照電圧ＶＤＲを示している。参照電圧ＶＤＲは、交流電圧ＶＯの振幅の２倍の電圧Ｖｐｐよりも高く（ＶＤＲ＞Ｖｐｐ）、参照電圧ＶＢＲよりも高く（ＶＤＲ＞ＶＢＲ）、かつ参照電圧ＶＤＲの最大値ＶＤＲmaxよりも低い範囲内で（ＶＤＲ＜ＶＤＲmax）、参照電圧ＶＢＲに応じて変化する。

　図４では、ＶＤＲ＝Ｖｐｐを示す直線ＳＬ１と、ＶＤＲ＝ＶＢＲを示す直線ＳＬ２と、ＶＤＲ＝ＶＤＲmaxを示す直線ＳＬ３と、ＶＢＲ＝ＶＢＲmaxを示す直線ＳＬ４と、ＶＢＲ＝０を示す直線（縦軸）とで囲まれる範囲内において、直線ＳＬ１，ＳＬ２に沿うように、ＶＢＲに応じてＶＤＲが変化する状態が示されている。

　ＶＤＲ＞Ｖｐｐとするのは、直流電圧ＶＤが交流電圧ＶＯの振幅の２倍の電圧Ｖｐｐよりも低くなると（ＶＤＲ＜Ｖｐｐ）、インバータ７によって正弦波状の交流電圧ＶＯを生成することができなくなるためである。ＶＤＲ＞ＶＢＲとするのは、双方向チョッパ５は、商用交流電源５１の健全時には、直流電圧ＶＤを降圧してバッテリ５３に与え、商用交流電源５１の停電時には、バッテリ電圧ＶＢを昇圧して直流ライン４に与えるように構成されているからである。

　また、ＶＤＲ＜ＶＤＲmaxとするのは、無停電電源装置１の効率を高くするためである。すなわち、従来は、正弦波状の交流電圧ＶＯを生成するとともに、複数種類のバッテリ５３（鉛蓄電池、リチウムイオン電池など）の充電を可能とするため、参照電圧ＶＤＲを最大値ＶＤＲmaxに固定していた（ＶＤＲ＝ＶＤmax）。参照電圧ＶＤＲ＝ＶＤＲmaxは、コンバータ３が安定に出力することが可能な直流電圧ＶＤの最大値である。

　しかし、直流電圧ＶＤ（すなわち参照電圧ＶＤＲ）を高くすると、コンバータ３、双方向チョッパ５、およびインバータ７に含まれている各トランジスタのスイッチング損失が増大し、無停電電源装置１の効率が低下する。そこで、本実施の形態では、参照電圧ＶＤＲを最大値ＶＤＲmaxよりも低い値に設定することにより、トランジスタのスイッチング損失を減少させて無停電電源装置１の効率を高くする。

　無停電電源装置１の使用者は、操作部１１を使用して参照電圧ＶＢＲの値を設定する。参照電圧ＶＢＲは、バッテリ５３の種類に応じて決定される。ＶＤＲ＞Ｖｐｐである必要があるので、ＶＢＲ≦Ｖｐｐの領域では、ＶＤＲ＝Ｖｐｐ＋Ｖｍとされる。ただし、Ｖｍは所定の余裕電圧である。このＶＤＲ＝Ｖｐｐ＋Ｖｍは、参照電圧ＶＤＲの最小値ＶＤＲminとなる。

　また、ＶＤＲ＞ＶＢＲである必要があるので、ＶＢＲ＞Ｖｐｐの領域では、ＶＤＲ＝ＶＢＲ＋Ｖｍとされる。ただし、ＶＤＲ＜ＶＤＲmaxであるので、ＶＢＲmax＋Ｖｍ＜ＶＤＲmaxとなるようにＶＢＲmaxが設定される。したがって、参照電圧ＶＢＲの値が決まると、それに応じて参照電圧ＶＤＲの値が決まるので、参照電圧ＶＤＲは参照電圧ＶＢＲの関数であり、ＶＤＲ＝ｆ（ＶＢＲ）と表される。

　たとえば、参照電圧ＶＢＲが、バッテリ５３の浮動充電を行なう場合に必要な電圧Ｖｆであり、Ｖｐｐ＜Ｖｆである場合には、ＶＤＲ＝Ｖｆ＋Ｖｍとなる。また、参照電圧ＶＢＲが、バッテリ５３の均等充電を行なう場合に必要な電圧Ｖｅであり、Ｖｆ＜Ｖｅ＜ＶＢＲmaxである場合には、ＶＤＲ＝Ｖｅ＋Ｖｍとなる。

　再び図３を参照して、停電検出器２３は、商用交流電源５１から供給される交流電圧ＶＩに基づいて、商用交流電源５１の停電が発生したか否かを検出し、検出結果を示す信号φＦを出力する。商用交流電源５１の健全時には、停電検出信号φＦは非活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。商用交流電源５１の停電が発生した場合には、停電検出信号φＦは活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。たとえば、停電検出器２３は、交流電圧ＶＩが下限値よりも低下した場合に商用交流電源５１の停電が発生したと判別する。

　制御部２４は、停電検出器２３からの停電検出信号φＦ、参照電圧発生部２２からの参照電圧ＶＤＲ、直流ライン４の直流電圧ＶＤ、商用交流電源５１からの交流電圧ＶＩ、電流検出器ＣＤ１の出力信号Ｉ１ｆによって示される交流入力電流Ｉ１などに基づいて、コンバータ３を制御する。

　停電検出信号φＦが非活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合（商用交流電源５１の健全時）には、制御部２４は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるようにコンバータ３を制御する。停電検出信号φＦが活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合（商用交流電源５１の停電時）には、制御部２４はコンバータ３の運転を停止する。

　図５は、制御装置１２のうちの双方向チョッパ５の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図５において、制御装置１２は、タイマー３０、セレクタ３１、参照電圧発生部３２（第２の参照電圧発生部）、および制御部３３（第２の制御部）を含む。図５に示された各ブロックの機能は、制御装置１２によるソフトウェア処理およびハードウェア処理の少なくとも一方によって実現することができる。

　無停電電源装置１の使用者は、操作部１１（設定部）を使用して、バッテリ５３の浮動充電を行なう場合の参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆ（第１の副参照電圧）を設定するとともに、バッテリ５３の均等充電を行なう場合の参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｅ（第２の副参照電圧）を設定する。操作部１１は、設定された参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆを示す信号Ｄｆと、設定された参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｅを示す信号Ｄｅとをセレクタ３１に出力する。

　また、無停電電源装置１の使用者は、操作部１１を使用して、バッテリ５３の均等充電を行なう周期ＴＥ１と、均等充電を行なう時間ＴＥ２とを設定する。操作部１１は、設定された周期ＴＥ１を示す信号Ｄ１と、設定された時間ＴＥ２を示す信号Ｄ２とをタイマー３０に出力する。

　また、無停電電源装置１の使用者は、操作部１１を使用して、タイマー３０の起動および停止を指令する。操作部１１は、タイマー３０の起動が指令された場合には信号ＥＮを活性化レベルの「Ｈ」レベルにし、タイマー３０の停止が指令された場合には信号ＥＮを非活性化レベルの「Ｌ」レベルにする。

　信号ＥＮが非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合には、タイマー３０は非活性化され、タイマー３０の出力信号φ３０は「Ｌ」レベルに維持される。信号ＥＮが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられると、タイマー３０が活性化されて時間の計測を開始する。

　タイマー３０は、信号Ｄ１によって示される時間ＴＥ１（たとえば２４時間）が経過する毎に信号φ３０を「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げ、信号Ｄ２によって示される時間ＴＥ２（たとえば１時間）が経過したことに応じて信号φ３０を「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げる。「Ｈ」レベルにされた信号φ３０は、バッテリ５３の均等充電の実行を指令する指令信号となる。

　セレクタ３１は、操作部１１からの参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆを示す信号Ｄｆと、参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｅを示す信号Ｄｅとを受け、タイマー３０の出力信号φ３０に従って、信号Ｄｆと信号Ｄｅのうちのいずれか一方の信号を参照電圧ＶＢＲを示す信号ＤＢＲとして出力する。

　タイマー３０の出力信号φ３０が「Ｌ」レベルである場合には、セレクタ３１は、信号Ｄｆを選択し、その信号Ｄｆを信号ＤＢＲとして出力する。タイマー３０の出力信号φ３０が「Ｈ」レベルである場合には、セレクタ３１は、信号Ｄｅを選択し、その信号Ｄｅを信号ＤＢＲとして出力する。セレクタ３１の出力信号ＤＢＲは、演算部２１（図３）に与えられるとともに、参照電圧発生部３２に与えられる。

　参照電圧発生部３２は、セレクタ３１の出力信号ＤＢＲによって示される値の参照電圧ＶＢＲを生成して制御部３３に出力する。セレクタ３１の出力信号ＤＢＲが信号Ｄｆである場合には、信号Ｄｆによって示される値の参照電圧Ｖｆが参照電圧ＶＢＲとして出力される。セレクタ３１の出力信号ＤＢＲが信号Ｄｅである場合には、信号Ｄｅによって示される値の参照電圧Ｖｅが参照電圧ＶＢＲとして出力される。

　なお、バッテリ５３の種類によっては、浮動充電のみが実行され、均等充電が実行されない場合がある。この場合は、信号ＥＮが「Ｌ」レベルに固定されてタイマー３０の出力信号φ３０が「Ｌ」レベルに固定され、セレクタ３１は信号Ｄｆのみを選択し、参照電圧発生部３２は参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆのみを生成する。

　制御部３３は、停電検出器２３からの停電検出信号φＦ、参照電圧発生部３２からの参照電圧ＶＢＲ、バッテリ電圧ＶＢ、参照電圧発生部２２からの参照電圧ＶＤＲ、直流ライン４の直流電圧ＶＤ、電流検出器ＣＤ２の出力信号Ｉ２ｆによって示されるバッテリ電流Ｉ２などに基づいて、双方向チョッパ５を制御する。

　停電検出信号φＦが非活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合（商用交流電源５１の健全時）には、制御部３３は、バッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲになるように双方向チョッパ５を制御する。停電検出信号φＦが活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合（商用交流電源５１の停電時）には、制御部３３は、直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲになるように双方向チョッパ５を制御する。

　図６は、参照電圧ＶＢＲ（図５）および参照電圧ＶＤＲ（図３）の波形を示すタイムチャートである。図６において、時刻ｔ０において信号ＥＮが「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられ、タイマー３０（図５）の出力信号φ３０が「Ｌ」レベルにされ、セレクタ３１によって信号Ｄｆが選択され、参照電圧発生部３２によって参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆが生成されたものとする。ただし、Ｖｐｐ＜Ｖｆであるものとする（図４）。Ｖｐｐ＜Ｖｆであるので、演算部２１および参照電圧発生部２２（図３）によって参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｆ＋Ｖｍが生成される。

　制御部２４（図３）によって、直流ライン４の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｆ＋Ｖｍになるようにコンバータ３が制御される。また、制御部３３（図５）によって、バッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆになるように双方向チョッパ５が制御され、バッテリ５３の浮動充電が実行される。

　時刻ｔ０から時間ＴＥ１が経過すると、時刻ｔ１において、タイマー３０の出力信号φ３０が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられ、セレクタ３１によって信号Ｄｅが選択され、参照電圧発生部３２によって参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｅが生成される。ただし、Ｖｐｐ＜Ｖｆ＜Ｖｅであるものする（図４）。Ｖｐｐ＜Ｖｆ＜Ｖｅであるので、演算部２１および参照電圧発生部２２（図３）によって参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｅ＋Ｖｍが生成される。

　制御部２４（図３）によって、直流ライン４の直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｅ＋Ｖｍになるようにコンバータ３が制御される。また、制御部３３（図５）によって、バッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｅになるように双方向チョッパ５が制御され、バッテリ５３の均等充電が実行される。

　時刻ｔ１から時間ＴＥ２が経過すると、時刻ｔ２において、タイマー３０の出力信号φ３０が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられ、セレクタ３１によって信号Ｄｆが選択され、参照電圧発生部３２によって参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆが生成され、演算部２１および参照電圧発生部２２によって参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｆ＋Ｖｍが生成され、バッテリ５３の浮動充電が再び開始される。

　従来は、図６中の一点鎖線で示されるように、参照電圧ＶＤＲが最大値ＶＤＲmaxに固定されていたので、直流電圧ＶＤが高く、無停電電源装置の効率が低かった。これに対して本実施の形態では、参照電圧ＶＤＲが最大値ＶＤＲmaxよりも低い電圧（たとえば、Ｖｆ＋Ｖｍ，Ｖｅ＋Ｖｍ）にされるので、無停電電源装置１の効率の向上を図ることができる。

　図７は、制御装置１２のうちのインバータ７の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図７において、制御装置１２は、参照電圧発生部４０および制御部４１を含む。図７に示された各ブロックの機能は、制御装置１２によるソフトウェア処理およびハードウェア処理の少なくとも一方によって実現することができる。参照電圧発生部４０は、正弦波状の参照電圧ＶＯＲを生成する。参照電圧ＶＯＲは、商用周波数を有する。参照電圧ＶＯＲの振幅の２倍の電圧Ｖｐｐは、参照電圧ＶＤＲの最小値ＶＤＲminよりも低いので（図４）、正弦波状の参照電圧ＶＯＲを生成することが可能となっている。

　制御部４１は、参照電圧発生部４０からの参照電圧ＶＯＲ、交流出力電圧ＶＯ、電流検出器ＣＤ３の出力信号Ｉ３ｆによって示される電流Ｉ３などに基づいて、インバータ７を制御する。制御部４１は、交流出力電圧ＶＯが参照電圧ＶＯＲになるようにインバータ７を制御する。

　次に、この無停電電源装置の動作について説明する。商用交流電源５１の健全時には、電磁接触器２，６，８（図１）がオンされ、半導体スイッチ９および電磁接触器１０がオフされる。商用交流電源５１から電磁接触器２および交流フィルタＦ１を介してコンバータ３に交流電力が供給され、その交流電力がコンバータ３によって直流電力に変換される。

　コンバータ３によって生成された直流電力は、双方向チョッパ５、リアクトルＬ２、および電磁接触器６を介してバッテリ５３に蓄えられるとともに、インバータ７によって交流電力に変換され、交流フィルタＦ２および電磁接触器８を介して負荷５４に供給される。

　商用交流電源５１の健全時には、バッテリ５３の浮動充電と均等充電が交互に実行される。浮動充電時には、参照電圧発生部３２（図５）によって参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆが生成され、双方向チョッパ５によってバッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆにされる。また、参照電圧発生部２２（図３）によって参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｆに応じた値の参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｆ＋Ｖｍが生成され、コンバータ３によって直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｆ＋Ｖｍにされる。

　均等充電時には、参照電圧発生部３２（図５）によって参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｅが生成され、双方向チョッパ５によってバッテリ電圧ＶＢが参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｅにされる。また、参照電圧発生部２２（図３）によって参照電圧ＶＢＲ＝Ｖｅに応じた値の参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｅ＋Ｖｍが生成され、コンバータ３によって直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲ＝Ｖｅ＋Ｖｍにされる。

　商用交流電源５１の停電が発生すると、コンバータ３の運転が停止されるとともに、電磁接触器２がオフされる。また、バッテリ５３の直流電力が電磁接触器６、リアクトルＬ２、および双方向チョッパ５によってインバータ７に供給され、交流電力に変換される。

　停電時には、参照電圧発生部３２（図５）によって参照電圧ＶＢＲが生成され、参照電圧発生部２２（図３）によって参照電圧ＶＢＲに応じた値の参照電圧ＶＤＲが生成され、双方向チョッパ５によって直流電圧ＶＤが参照電圧ＶＤＲにされる。

　インバータ７によって生成される交流電力は、交流フィルタＦ２および電磁接触器８を介して負荷５４に供給される。したがって、商用交流電源５１の停電が発生した場合でも、バッテリ５３に直流電力が蓄えられている期間は、負荷５４の運転を継続することができる。

　商用交流電源５１の健全時においてインバータ７が故障した場合には、半導体スイッチ９が瞬時にオンし、バイパス交流電源５２から半導体スイッチ９を介して負荷５４に交流電力が供給される。次いで、電磁接触器１０がオンするとともに電磁接触器８がオフし、半導体スイッチ９がオフする。これにより、バイパス交流電源５２から電磁接触器１０を介して負荷５４に交流電力が供給される。

　以上のように、本実施の形態では、操作部１１を用いて設定された参照電圧ＶＢＲよりも高く、参照電圧ＶＤＲの最大値ＶＤＲmaxよりも低い参照電圧ＶＤＲを生成して制御部２４に与える。したがって、直流ライン４の電圧ＶＤ（すなわち参照電圧ＶＤＲ）を最大値ＶＤＲmaxよりも低くすることができ、コンバータ３、双方向チョッパ５、およびインバータ７に含まれる各トランジスタのスイッチング損失を低減して無停電電源装置１の効率の向上を図ることができる。また、直流ライン４の電圧ＶＤを低くすることができるので、コンデンサＣ２の長寿命化を図ることができる。

　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。

　１　無停電電源装置、Ｔ１　交流入力端子、Ｔ２　バイパス入力端子、Ｔ３　バッテリ端子、Ｔ４　交流出力端子、２，６，８，１０　電磁接触器、ＣＤ１～ＣＤ３　電流検出器、Ｃ１～Ｃ３　コンデンサ、Ｌ１～Ｌ３　リアクトル、３　コンバータ、４　直流ライン、５　双方向チョッパ、７　インバータ、９　半導体スイッチ、１１　操作部、１２　制御装置、１３　ＣＰＵ、１４　メモリ、１５　Ｉ／Ｏ回路、１６　バス、２０　記憶部、２１　演算部、２２，３２，４０　参照電圧発生部、２３　停電検出器、２４，３３，４１　制御部、３０　タイマー、３１　セレクタ、５１　商用交流電源、５２　バイパス交流電源、５３　バッテリ、５４　負荷。

Claims

　交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して直流ラインに供給する第１の電力変換器と、
　前記直流ラインと電力貯蔵装置との間で直流電力を授受する第２の電力変換器と、
　前記直流ラインから受ける直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する第３の電力変換器と、
　前記交流電源の健全時には、前記直流ラインの直流電圧が第１の参照電圧になるように前記第１の電力変換器を制御し、前記交流電源の停電時には、前記第１の電力変換器の運転を停止させる第１の制御部と、
　前記交流電源の健全時には、前記電力貯蔵装置の端子間電圧が第２の参照電圧になるように前記第２の電力変換器を制御し、前記交流電源の停電時には、前記直流電圧が前記第１の参照電圧になるように前記第２の電力変換器を制御する第２の制御部と、
　前記第３の電力変換器を制御して交流電圧を出力させる第３の制御部と、
　前記第２の参照電圧を設定するための設定部と、
　前記設定部によって設定された前記第２の参照電圧よりも高く、かつ前記第１の参照電圧の最大値よりも低い前記第１の参照電圧を求める演算部と、
　前記演算部によって求められた前記第１の参照電圧を生成して前記第１の制御部に与える第１の参照電圧発生部と、
　前記設定部によって設定された前記第２の参照電圧を生成して前記第２の制御部に与える第２の参照電圧発生部とを備える、無停電電源装置。
　前記演算部は、前記設定部によって設定された前記第２の参照電圧よりも高く、前記第３の電力変換器から出力される交流電圧の振幅の２倍よりも高く、かつ前記第１の参照電圧の最大値よりも低い前記第１の参照電圧を求める、請求項１に記載の無停電電源装置。
　前記演算部は、前記設定部によって設定された前記第２の参照電圧と、前記第１の参照電圧と前記第２の参照電圧との関係を示す数式またはテーブルとに基づいて、前記第１の参照電圧を求める、請求項１に記載の無停電電源装置。
　前記第２の参照電圧は、前記電力貯蔵装置の浮動充電を行なうための第１の副参照電圧と、前記電力貯蔵装置の均等充電を行なうための第２の副参照電圧とを含み、
　前記第２の参照電圧発生部は、
　前記浮動充電を行なう場合には、前記第１の副参照電圧を前記第２の参照電圧として出力し、
　前記均等充電を行なう場合には、前記第２の副参照電圧を前記第２の参照電圧として出力する、請求項１に記載の無停電電源装置。
　予め定められた周期で予め定められた時間だけ前記均等充電の実行を指令する指令信号を出力するタイマーをさらに備え、
　前記第２の参照電圧発生部は、
　前記タイマーから前記指令信号が出力されていない場合には、前記第１の副参照電圧を前記第２の参照電圧として出力し、
　前記タイマーから前記指令信号が出力されている場合には、前記第２の副参照電圧を前記第２の参照電圧として出力する、請求項４に記載の無停電電源装置。