(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置と、常用交流電源からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電装置を所定の第１充電電圧に第１ダイオードを介して充電可能な第１充電器と、非常用交流電源からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電装置を前記第１充電電圧より低い所定の第２充電電圧に第２ダイオードを介して充電可能な第２充電器と、前記蓄電装置からの直流入力を交流出力に変換するインバータと、前記蓄電装置の充電電圧値が所定の閾値以下に低下した場合に前記非常用交流電源の作動を開始する非常用交流電源制御部とを備えて、前記所定の閾値を、前記非常用交流電源の定常状態になるまでの立ち上がり時間が、前記充電電圧値が前記閾値から前記第２充電電圧まで低下する時間より短くなるように、前記第１充電電圧と前記第２充電電圧の間の適切な値に設定してある無停電電源装置。
【請求項２】
前記蓄電装置の充電電圧値が前記閾値以上に復帰した場合に、前記非常用交流電源制御部が前記非常用交流電源の作動を停止することを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
【請求項３】
前記蓄電装置の充電電圧値が前記第１充電電圧に復帰した場合に、前記非常用交流電源制御部が前記非常用交流電源の作動を停止することを特徴とする請求項１記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無停電電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無停電電源装置は、例えば、図５に示すように、商用電源等の常用交流電源２０が通電時に充電器２２で予め蓄電池２３を充電しておき、前記常用交流電源２０が停電すると、その直後から前記蓄電池２２の直流電力をインバータ２４で交流に変換して負荷に電力供給するとともに、自家用発電機等の非常用交流電源２１を作動させ、この非常用交流電源２１が定常状態に安定化するまでの所定の安定化期間経過後に、所定のスイッチ２５を前記常用交流電源２０から前記非常用交流電源２１へ切り換えて、前記非常用交流電源２１がコンバータ２６を介して前記インバータ２４に接続する回路を形成し、前記非常用交流電源２１の直流電力を前記インバータ２４で交流に変換して前記負荷に電力供給する構成のものがあった。更に、前記スイッチ２５が切り換わって前記非常用交流電源２１が無負荷状態から瞬時に負荷状態になるため、その負荷を軽減して発電機のノッキング等を防止するために、前記スイッチ２５の切り換わり後に所定の並行運転期間を設け、前記蓄電池２３の直流電力と前記コンバータ２６で直流に変換された前記非常用交流電源２１の直流電力が前記インバータ２４で交流変換され、並行して前記負荷に電力供給し、前記並行運転期間経過後に前記蓄電池２３から前記インバータ２４への回路が遮断され、前記非常用交流電源２１から安定して電力供給される構成のものがあった。
かかる構成の従来の無停電電源装置として、例えば、特公昭６２−１００９４号公報に開示されているものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の無停電電源装置では、前記常用交流電源２０の停電直後に前記非常用交流電源２１の作動を開始するとともに、発電機のノッキングや突出電流の発生を防止するために、所定の安定化期間を待って前記常用交流電源２０から前記非常用交流電源２１へ電源を切り換えるスイッチ２５が少なくとも必要である。更に、前記並行運転期間を設ける場合は、前記並行運転期間から前記非常用交流電源２１の定常動作へとスムーズに移行するために、前記非常用交流電源２１の電圧値を前記蓄電池２３の出力電圧に対して徐々に増加させる制御が必要となる。このように、従来の無停電電源装置では、前記非常用交流電源２１への切り換えタイミングや電圧値の制御が複雑であり、適正動作を得るための調整が困難であった。
【０００４】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、常用交流電源及び非常用交流電源の特性にかかわらず、両電源間の切り換えに伴う複雑な調整が不要で、両電源間のスムーズな切り換えが可能な無停電電源装置を提供する点にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による無停電電源装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した通り、蓄電装置と、常用交流電源からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電装置を所定の第１充電電圧に第１ダイオードを介して充電可能な第１充電器と、非常用交流電源からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電装置を前記第１充電電圧より低い所定の第２充電電圧に第２ダイオードを介して充電可能な第２充電器と、前記蓄電装置からの直流入力を交流出力に変換するインバータと、前記蓄電装置の充電電圧値が所定の閾値以下に低下した場合に前記非常用交流電源の作動を開始する非常用交流電源制御部とを備えて、前記所定の閾値を、前記非常用交流電源の定常状態になるまでの立ち上がり時間が、前記充電電圧値が前記閾値から前記第２充電電圧まで低下する時間より短くなるように、前記第１充電電圧と前記第２充電電圧の間の適切な値に設定してある点にある。
ここで、前記蓄電装置は蓄電池やコンデンサ等の蓄電機能を有する装置を意味する。
【０００６】
同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記蓄電装置の充電電圧値が前記閾値以上に復帰した場合に、前記非常用交流電源制御部が前記非常用交流電源の作動を停止する点にある。
【０００７】
同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記蓄電装置の充電電圧値が前記第１充電電圧に復帰した場合に、前記非常用交流電源制御部が前記非常用交流電源の作動を停止する点にある。
【０００９】
以下に、作用並びに効果について説明する。
本発明による無停電電源装置の第一の特徴構成によれば、前記常用交流電源が通電中に前記蓄電装置が前記第１充電電圧まで充電された状態で、前記常用交流電源から前記第１充電器、前記第１ダイオード及び前記インバータを介して負荷側に電力が供給される。この状態で前記常用交流電源が停電すると、前記第１充電器からの電力供給が停止し、代わって前記蓄電装置から前記インバータを介して負荷側に電力が供給される。従って、前記蓄電装置の充電電圧値は電力供給とともに低下し、前記閾値電圧以下になると前記非常用交流電源制御部によって前記非常用交流電源の作動が開始する。前記非常用交流電源が定常状態にまで立ち上がると前記第２充電器の出力には前記第２充電電圧に前記第２ダイオードの電圧降下分を加えた出力電圧が現れるが、前記充電電圧値が前記第２充電電圧より高い間は、前記第２ダイオードはオフしている。更に、前記充電電圧値が前記第２充電電圧まで低下すると、前記第２ダイオードがオンし、前記第２充電器から前記インバータを介して負荷側に電力供給される。従って、前記第２充電電圧を前記第１充電電圧より低く、前記閾値電圧を前記第１充電電圧と前記第２充電電圧の間の所定の適切な値に設定しておくだけで、前記非常用交流電源が定常状態にまで安定化するのを待って前記常用交流電源から切り換えるためのスイッチを設けず、更に、前記非常用交流電源の電圧値の制御も行わずに、無停電で前記常用交流電源から前記非常用交流電源への電源の切り換えを行うことができるのである。前記非常用交流電源の立ち上がり時において、このようなスイッチによる電源の切り換えを回避できるため、急激な負荷条件の変化が防止でき、前記非常用交流電源が発電機の場合にノッキングを防止できるのである。
【００１０】
引き続き、停電した前記常用交流電源が復帰すると、前記第１充電器が作動状態になり、前記第１充電器の出力に前記第１充電電圧に前記第１ダイオードの電圧降下分を加えた出力電圧が現れる。この時、前記充電電圧値は前記第２充電電圧まで低下しているため、前記第１ダイオードはオンし、前記蓄電装置の充電及び前記インバータを介して負荷側への電力供給を開始する。しかし、前記第１充電器の出力は前記常用交流電源の立ち上がりに伴い、徐々に電圧が上昇するため前記第１ダイオードがオンした後の電流も徐々に増加することになり急激な負荷変動が生じず、前記常用交流電源の停電時と同様に復帰時においてもノッキングを効果的に防止できるのである。
【００１１】
更に、前記閾値電圧と前記第２充電電圧の関係を、前記常用交流電源の停電時において前記非常用交流電源の定常状態になるまでの立ち上がり時間が前記充電電圧値が前記閾値から前記第２充電電圧まで低下する時間より短くなるように、前記非常用交流電源及び前記蓄電装置の能力や負荷条件等に基づいて設定することにより、前記非常用交流電源のノッキングや突出電流をより効果的に防止できるのである。
【００１２】
また、前記閾値電圧と前記第１充電電圧との間に一定の電圧差を設けることで、前記蓄電装置が前記閾値電圧まで放電するまでの期間に前記常用交流電源が復帰した場合は、前記非常用交流電源に対しては何の影響も及ぼさずに通常状態に復帰できるため、前記非常用交流電源に対する不必要な運転の開始及び停止を行わずに済むのである。
【００１３】
この結果、本特徴構成によれば、前記常用交流電源及び前記非常用交流電源は、両電源間で位相を同期させる必要が無く、更には、線数、相数、電圧、周波数等の出力形式を夫々独立且つ任意に選択できるため、例えば、前記常用交流電源として商用交流電源をした場合に、前記非常用交流電源として種々の出力形式の発電機を利用できるのである。更に、前記常用交流電源または前記非常用交流電源、或いはその両方を含めた無停電電源システム全体の設計自由度が広がり、システム全体の小型化を図ることができるのである。
【００１４】
同第二の特徴構成によれば、停電した前記常用交流電源が復帰すると、前記第１充電器の出力が前記第１充電電圧に前記第１ダイオードの電圧降下分を加えた出力電圧まで上昇し、前記充電電圧値が前記第２充電電圧から前記第１充電電圧まで徐々に上昇するが、前記充電電圧値が前記閾値に達するまでは前記非常用交流電源は作動状態にあるため、万が一負荷状態が急激に変化して前記充電電圧値が前記第２充電電圧まで降下しても、前記非常用交流電源から電力供給できるため安定動作が確保できるのである。また、前記充電電圧値が前記閾値を超えて充電されれば、その後に再び前記常用交流電源が停電しても、前記非常用交流電源の立ち上がり時の過渡状態が通常の停電時と同様になるため、前記充電電圧値に依存して前記閾値電圧を変更する等の特別な調整等が不要となるのである。
【００１５】
同第三の特徴構成によれば、第二の特徴構成の作用効果に加えて、前記非常用交流電源のオンとオフの間にヒステリシスを持たせる結果となるため、前記充電電圧値が前記閾値電圧と前記第１充電電圧との間にある場合に、前記常用交流電源が瞬時停電しても、前記非常用交流電源が不必要に作動を開始したり停止したりすることを防止でき、当該不必要な動作に伴う、ノッキング等を回避でき安定動作が可能となるのである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る無停電電源装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明に係る無停電電源装置の第一の実施形態（以下、本発明装置１という。）は、蓄電装置である蓄電池２と、常用交流電源１０からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電池２を所定の第１充電電圧Ｖ１  に第１ダイオード３を介して充電可能な第１充電器４と、非常用交流電源１１からの交流入力を直流出力に変換して前記蓄電池２を前記第１充電電圧Ｖ１  より低い所定の第２充電電圧Ｖ２  に第２ダイオード５を介して充電可能な第２充電器６と、前記蓄電池２からの直流入力を交流出力に変換するインバータ７と、前記蓄電池２の充電電圧値ＶＣ  が所定の閾値ＶＴ  以下に低下した場合に前記非常用交流電源１１の作動を開始する非常用交流電源制御部８とから構成されている。
【００２１】
尚、本発明装置１では、前記常用交流電源１０として商用電源を、前記非常用交流電源１１としてディーゼルエンジンやガスタービン等の原動機による自家発電機を使用することを想定している。図中破線部分が本発明装置１であるが、前記非常用交流電源１１を本発明装置１に含む構成としても構わない。
【００２２】
前記第１充電器４及び前記第２充電器６は所定の入力条件の交流入力を直流に変換して定電圧で出力するコンバータである。また、前記インバータ７は定電圧定周波数インバータ（ＣＶＣＦ）を使用し、前記充電電圧値ＶＣ  が変動しても一定の出力電圧と一定の出力周波数を維持できる構成となっている。
【００２３】
次に、本発明装置１の動作について説明する。
図２に示すように、前記常用交流電源１０が通電中（ｔ＜ｔ１  ）は前記蓄電池２は前記第１充電器４から前記第１ダイオード３を介して前記第１充電電圧Ｖ１  まで充電されている。負荷側への電力供給は、前記常用交流電源１０から前記第１充電器４、前記第１ダイオード３及び前記インバータ７を介して行われている。前記非常用交流電源１１は運転を停止しているので、前記第２充電器６も当然に作動を停止している。
【００２４】
時刻ｔ１  で前記常用交流電源１０が停電すると、前記第１充電器４からの電力供給が停止し、代わって前記蓄電池２から前記インバータ７を介して負荷側に電力供給される。かかる電力供給とともに前記蓄電池２の放電が進み、前記蓄電池２の前記充電電圧値ＶＣ  は低下する。時刻ｔ２  で前記充電電圧値ＶＣ  が前記閾値電圧ＶＴ  以下まで低下すると、前記非常用交流電源制御部８がそれを検知して、前記非常用交流電源１１の作動が開始する。前記充電電圧値ＶＣ  は更に低下を続け、時刻ｔ３  において前記第２充電電圧Ｖ２  まで低下する。ここで、前記非常用交流電源１１の立ち上がり時においてノッキングや突出電流を効果的に防止するために、前記閾値電圧ＶＴ  と前記第２充電電圧Ｖ２  の関係を、前記非常用交流電源１１及び前記蓄電池２の能力や負荷条件等に基づいて予め適正に設定しているので、前記非常用交流電源１１は、時刻ｔ２  から時刻ｔ３  までの間に十分に定常状態に達する。時刻ｔ２  から時刻ｔ３  までの間に前記非常用交流電源１１が立ち上がり、前記第２充電器６の出力には前記第２充電電圧Ｖ２  に前記第２ダイオード５の電圧降下分を加えた出力電圧が現れるが、前記充電電圧値ＶＣ  が前記第２充電電圧Ｖ２  より高い間（ｔ２  ＜ｔ＜ｔ３  ）は、前記第２ダイオード５はオフしている。
【００２５】
また、前記閾値電圧ＶＴ  と前記第１充電電圧Ｖ１  との間に一定の電圧差を設けることで、前記蓄電池２が前記閾値電圧ＶＴ  まで放電するまでの期間に前記常用交流電源１０が復帰した場合、例えば、前記商用電源の瞬時停電時は、前記非常用交流電源１１に対しては何の影響も及ぼさずに通常状態に復帰できるため、前記非常用交流電源１１に対する不必要な運転の開始及び停止を行わずに済むのである。
【００２６】
時刻ｔ３  で前記充電電圧値ＶＣ  が前記第２充電電圧Ｖ２  まで低下すると、前記第２ダイオード５がオンし、前記第２充電器６から前記インバータ７を介して負荷側に電力供給され、前記常用交流電源１０が復帰するまで（ｔ＝ｔ４  ）、当該状態が継続する。
このように、前記第２充電電圧Ｖ２  を前記第１充電電圧Ｖ１  より低く、前記閾値電圧ＶＴ  を前記第１充電電圧Ｖ１  と前記第２充電電圧Ｖ２  の間の所定の適切な値に設定しておくだけで、無停電で前記常用交流電源１０から前記非常用交流電源１１への電源の切り換えを行うことができるのである。つまり、従来のように前記非常用交流電源１１が定常状態にまで安定化するのを待って前記常用交流電源１０から切り換えるためのスイッチを設けたり、前記非常用交流電源１１の電圧値の制御を行う必要がないのである。従って、前記非常用交流電源１１の立ち上がり時において、このようなスイッチによる電源の切り換えを回避できるため、急激な負荷条件の変化を防止でき、前記非常用交流電源１１である自家発電機のノッキングを効果的に防止できるのである。
【００２７】
時刻ｔ４  で停電した前記常用交流電源１０が復帰すると、前記第１充電器４が作動状態になり、前記第１充電器４の出力に前記第１充電電圧Ｖ１  に前記第１ダイオード３の電圧降下分を加えた出力電圧が現れる。この時、前記充電電圧値ＶＣ  は前記第２充電電圧Ｖ２  まで低下しているため、前記第１ダイオード３はオンし、前記蓄電池２の充電を開始し前記充電電圧値ＶＣ  が上昇し始めるとともに、前記インバータ７を介して負荷側への電力供給を開始する。
前記第１充電器４の出力は前記常用交流電源１０の立ち上がりに伴い、徐々に電圧が上昇するため前記第１ダイオード３がオンした後の電流も徐々に増加することになり急激な負荷変動が生じず、前記常用交流電源１０が商用電源以外の自家発電機等であっても、その復帰時の立ち上がりにおいてノッキングが発生するのを効果的に防止できるのである。
【００２８】
時刻ｔ５  で前記充電電圧値ＶＣ  が前記閾値電圧ＶＴ  まで上昇すると、前記非常用交流電源制御部８がそれを検知して、前記非常用交流電源１１の作動を停止する。従って、時刻ｔ４  から時刻ｔ５  までの間は、前記非常用交流電源１１がまだ定常状態で作動中であるため、もし前記常用交流電源１０が再び停電しても、前記非常用交流電源１１から前記負荷側へ安定して電力供給できるのである。また、時刻ｔ５  以降に前記常用交流電源１０が再び停電したとしても、上述した時刻ｔ２  以降の動作手順を繰り返すことができるので、前記負荷側への安定電力供給を維持できるのである。
かかる前記常用交流電源１０の再停電がなければ、図２に示すように、前記蓄電池２の充電が進み、時刻ｔ６  において、前記充電電圧値ＶＣ  が前記第１充電電圧Ｖ１  まで上昇し通常状態に復帰する。
【００３５】
以下、別の実施形態について説明する。
〈１〉前記第一の実施形態において、前記負荷が小さい場合や、前記常用交流電源１０及び前記非常用交流電源１１の立ち上がり時間が短い場合は、前記蓄電池２の代わりにコンデンサを使用しても構わない。
【００３６】
〈２〉前記第一の実施形態において、前記非常用交流電源制御部８が、時刻ｔ５  において前記充電電圧値ＶＣ  が前記閾値電圧ＶＴ  まで上昇したのを検知して、前記非常用交流電源１１の作動を停止する代わりに、時刻ｔ６  において、前記充電電圧値ＶＣ  が前記第１充電電圧Ｖ１  まで上昇し通常状態に復帰するのを待って前記作動の停止を行っても構わない。このようにすると、前記常用交流電源１０の立ち上がり時における、前記常用交流電源１０或いは前記第１充電器４の不安定動作または負荷変動等によって前記充電電圧値ＶＣ  が前記閾値電圧ＶＴ  付近で不安定に変動しても、前記非常用交流電源１１が不安定にオンとオフを繰り返すという異常事態を回避できるのである。
【００３７】
〈３〉前記第一の実施形態において、前記常用交流電源１０は必ずしも商用電源でなくとも構わない。両交流電源１０、１１ともに自家発電機であっても構わない。
また、前記第一の実施形態を発展させた形態として、前記常用交流電源１０と前記第１充電器４、または、前記非常用交流電源１１と前記第２充電器６の何れか一方を、例えば太陽電池等の直流電源と直流入力から直流定電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータの組み合わせに置換するのも好ましい実施の形態である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、常用交流電源及び非常用交流電源の特性にかかわらず、両電源間の切り換えに伴う複雑な調整が不要で、両電源間のスムーズな切り換えが可能な無停電電源装置を提供できるようになった。更に、前記常用交流電源及び前記非常用交流電源は、両電源間で位相を同期させる必要が無く、また、線数、相数、電圧、周波数等の出力形式を夫々独立且つ任意に選択できるため、例えば、前記常用交流電源として商用交流電源をした場合に、前記非常用交流電源として種々の出力形式の発電機を利用できるようになった。更に、前記常用交流電源または前記非常用交流電源、或いはその両方を含めた無停電電源システム全体の設計自由度が広がり、システム全体の小型化を図ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る無停電電源装置の第一の実施形態を示すブロック構成図
【図２】本発明に係る無停電電源装置の第一の実施形態の充電電圧波形の模式図
【図３】従来の無停電電源装置の一例を示すブロック構成図
【符号の説明】
１      本発明装置
２      蓄電池（蓄電装置）
３      第１ダイオード
４      第１充電器
５      第２ダイオード
６      第２充電器
７      インバータ
８      非常用交流電源制御部
１０    常用交流電源
１１    非常用交流電源
【図１】
0003608935.tif 000002
【図２】
0003608935.tif 000003
【図３】
0003608935.tif 000004