(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源を直流電源に変換して出力する順変換装置と、
この順変換装置の出力側に入力側が接続され、入力された直流電源を交流電源に変換して、負荷に供給する直流−交流変換装置と、
この直流−交流変換装置の入力側にのみ電流が流れる単方向性素子を介して出力側が前記直流−交流変換装置の入力側に接続された蓄電池と、
前記商用交流電源を直流電源に変換して、前記蓄電池を充電する充電器と、
計時手段を備え、この計時手段が予め定めた夜間時間帯を計時しているとき、前記順変換装置からの直流電源を前記直流−交流変換装置に供給させ、かつ前記充電器に前記蓄電池を充電させ、前記計時手段が前記夜間時間帯と異なる予め定めた非夜間時間帯を計時しているとき、前記順変換装置からの直流電源を前記直流−交流変換装置に非供給とし、かつ前記充電器による前記蓄電池の充電を停止させる制御手段とを、
具備し、前記夜間時間帯の終了時刻と前記非夜間時間帯の開始時刻との間に第１の期間があり、前記非夜間時間帯の終了時刻と前記夜間時間帯の開始時刻との間に第２の期間があり、
前記制御手段は、第１及び第２の期間のうち少なくとも一方において、前記充電器による前記蓄電池の充填を停止させ、かつ前記順変換装置からの直流電源を前記直流−交流変換装置に供給する無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、停電時にも負荷に電源を供給することができる無停電電源装置と、その運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、無停電電源装置は、商用交流電源が停電時に負荷に交流電源を供給するためのもので、図５に示すように、入力端子２において受電した商用交流電源を開閉器４を介して整流器６に供給して、直流電源に変換する。この直流電源によって蓄電池８を充電すると共に、インバータ１０によって交流電源に再変換する。再変換された交流電源を交流スイッチ１２を介して負荷１４に供給している。なお、交流スイッチ１２は、過負荷等によりインバータ１０から交流電源を負荷１４に供給できないときに、商用交流電源から負荷に交流電源を供給するため、入力端子１２と負荷１４とを接続するように切り換えられる。
【０００３】
図６（ａ）は入力端子２への商用交流電源の供給状態を示し、同図（ｂ）はインバータ１０の動作状態を示し、同図（ｃ）は蓄電池８の充電状態を示している。同図（ａ）に示すように時刻ｔ１において商用交流電源が停電すると、同図（ｃ）に示すように蓄電池８が放電を開始し、インバータ１０に直流電源を供給する。その結果、インバータ１０は、同図（ｂ）に示すように停電の前後も継続して運転し、負荷１４に交流電源を供給する。このとき、開閉器４は開放される。
【０００４】
時刻ｔ２において商用交流電源が回復すると、インバータ１０を商用交流電源に同期させた後、開閉器４を閉成し、商用交流電源から開閉器４、整流器６、インバータ１０、交流スイッチ１２を介して負荷１４に交流電源が継続して、供給される。同時に蓄電池８の充電が再開される。
【０００５】
蓄電池８の電圧は、同図（ｃ）に示すように、時刻ｔ１まで浮動充電されており、電圧は高い。時刻ｔ１で商用交流電源が停電すると、蓄電池８は、インバータ１０、交流スイッチ１２を介して負荷１４に交流電源を供給するので、蓄電池８の電圧は、放電と共に低下していく。時刻ｔ２において停電が回復すると、蓄電池８は充電され、その電圧は上昇していく。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の無停電電源装置では、商用交流電源が正常時には、蓄電池８は、浮動充電された状態で、商用交流電源が停電するのを待機している。即ち、蓄電池８は、その性能を殆ど引き出されていない。しかも、蓄電池は３年乃至５年の有寿命製品であるので、蓄電池８が設置されてから３年乃至５年が経過すると、さして使用されたことがないにも拘わらず、交換しなければならない。
【０００７】
交換までの期間を長くするために、蓄電池８の劣化を調査し、劣化が進んでいると判断されると、蓄電池８を交換するという案もあるが、その劣化状態を検出するのが極めて困難である。
【０００８】
しかも、日本の商用交流電源のように電力供給状態が安定している場合、例えば０．１秒程度の極わずかな停電に対処するためのものであるにもかかわらず、５分乃至１０分の停電を補償することができる蓄電池が用いられている。
【０００９】
このように、上記の無停電電源装置では、商用交流電源の停電に備えることのみを目的としており、せっかく蓄電池が使用されているにも拘わらず、その積極的な利用が行われていなかった。
【００１０】
本発明は、蓄電池の積極的な利用を図った無停電電源装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による無停電電源装置は、商用交流電源を直流電源に変換して出力する順変換装置と、この順変換装置の出力側に入力側が接続され、入力された直流電源を交流電源に変換して、負荷に供給する直流−交流変換装置と、この直流−交流変換装置の入力側にのみ電流が流れる単方向性素子を介して出力側が前記直流−交流変換装置の入力側に接続された蓄電池と、前記商用交流電源を直流電源に変換して、前記蓄電池を充電する充電器と、  計時手段を備え、この計時手段が予め定めた夜間時間帯を計時しているとき、前記順変換装置からの直流電源を前記直流−交流変換装置に供給させ、かつ前記充電器に前記蓄電池を充電させ、前記計時手段が前記夜間時間帯と異なる非夜間時間帯を計時しているとき、前記順変換装置からの直流電源を前記直流−交流変換装置に非供給とし、かつ前記充電器による前記蓄電池の充填を停止させる制御手段とを、具備している。
【００１２】
この無停電電源装置によれば、夜間時間帯、例えば電力料金が安くなっている時間帯に、充電器が蓄電池を充電する。同時に、直流−交流変換器に直流電源を順変換装置が供給し、負荷への交流電源の供給を継続する。そして、非夜間時間帯、例えば電力料金が通常の料金となった時間帯には、蓄電器から直流−交流変換装置に直流電源が供給され、直流−交流変換装置が直流電源を交流電源に変換し、負荷に供給する。即ち、電力料金が高い時間帯には、電力量委金が安い時間帯に充電された蓄電池の直流電源を利用して、負荷に交流電源を供給している。無論、この非夜間時間帯において、停電が生じても、蓄電池から直流−交流変換装置に直流電源が供給されているので、負荷への交流電源の供給が絶たれることはない。
【００１４】
このように、順変換装置及び充電器を設けることによって、直流−交流変換装置への直流電源の供給と、蓄電池への直流電源の供給とを、別々に行っている。従って、例えば蓄電池への充電完了後、予め定めた時間だけ順変換装置及び直流−交流変換装置によって負荷への電源供給を行って、蓄電池の放電を減らし、蓄電池の長寿命化を図ることができる。
【００１５】
具体的には、夜間時間帯の終了時刻と非夜間時間帯の開始時刻との間に第１の期間があり、非夜間時間帯の終了時刻と前記夜間時間帯の開始時刻との間に第２の期間があり、制御手段は、第１及び第２の期間のうち少なくとも一方において、充電器による蓄電池の充填を停止させ、かつ順変換装置からの直流電源を直流−交流変換装置に供給する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の無停電電源装置の第１の実施の形態を図１乃至図３に示す。この無停電電源装置は、電源入力端子２０を有し、これには商用交流電源が供給されている。この電源入力端子２０は、開閉手段、例えば開閉器２２を介して順変換装置、例えば整流器２４の入力側に接続されている。この整流器２４としては、例えば整流用ダイオード又はＳＣＲ等の整流素子を使用したものを使用できる。
【００２０】
また、電源入力端子２０は、開閉器２２を介して充電手段、例えば充電器２６の入力側に接続されている。この充電器２６も、整流器２４と同様にダイオード又はＳＣＲを具備するものとできる。この充電器２６の出力側は、蓄電池２８の正極側に接続されている。また蓄電池の負極側は、基準電位点、例えばグランドに接続されている。従って、開閉器２２が閉成されて、商用交流電源が充電器２６に供給されているとき、充電器２６が発生した直流電源によって蓄電池２８が充電される。蓄電池２８としては、例えば鉛蓄電池を使用することができる。
【００２１】
蓄電池２８の正極側は、蓄電池２８側からのみ電流が流れる単方向性素子、例えばダイオード３０を介して整流器２４の出力側に接続されている。ダイオード３０は、そのアノード側が蓄電池２８の正極側に接続され、カソード側が整流器２４の出力側に接続されている。従って、整流器２４によって蓄電池２８が充電されることはない。
【００２２】
これら開閉器２２、整流器２４及び充電器２８が、交流−直流変換装置を構成している。
【００２３】
整流器２４の出力側及びダイオード３０のカソードは、逆変換装置または直流−交流変換装置、例えばインバータ３２の入力側に接続されている。このインバータ３２には、ダイオード３０を介して蓄電池２８からの直流電源又は整流器２４の出力である直流電源が供給され、これを交流電源に変換する。この交流電源は、例えば商用交流電源と周波数が同一のものである。このインバータ３２は、例えば電力ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ又はバイポーラ電力トランジスタ等の半導体スイッチング素子を含み、入力された直流電源をこれら半導体スイッチング素子によって断続することによって交流電源に変換する。この交流電源の周波数が商用交流電源の周波数と同期するように、制御装置４０によって半導体スイッチング素子の制御が行われている。
【００２４】
このインバータ３２の出力の交流電源は、交流スイッチ３４に供給されている。交流スイッチ３４には、入力端子２０からの商用交流電源も供給されている。これらインバータ３２の出力の交流電源と、商用交流電源のうち選択されたものが、出力端子３６を介して負荷３８に供給されている。
【００２５】
開閉器２２、整流器２４、充電器２６、インバータ３２及び交流スイッチ３４は、制御手段、例えば制御装置４０によって制御される。
【００２６】
即ち、制御装置４０は、開閉駆動回路４２に制御信号を送ることによって開閉器２２を開放または閉成状態に切り換える。
【００２７】
また、制御装置４０は、整流器２４に制御信号を供給し、整流器２４がこれに入力された商用交流電源を整流する状態と、商用交流電源を整流していない非整流状態とのいずれかに切り換える。
【００２８】
同様に、制御装置４０は、充電器２６に制御信号を供給し、商用交流電源を整流し、蓄電池２８を充電する充電状態と、このような充電を行わない非充電状態とのいずれかに切り換える。
【００２９】
また、制御装置４０は、インバータ３２に制御信号を供給し、インバータ３２内の半導体スイッチング素子の導通、非導通状態を制御し、交流電源を発生させる。
【００３０】
さらに、制御装置４０は、交流スイッチ３４に制御信号を供給し、インバータ３２の出力及び入力端子２０からの商用交流電源の一方を出力端子３６に供給する。例えば、整流器２４、インバータ３２によって商用交流電源を負荷３８に供給している状態において、負荷３８側で過負荷となった場合には、交流スイッチ３４を切り換えて、商用交流電源から直接に負荷３８に交流電源を供給する。
【００３１】
制御装置４０は、計時手段、例えば時計を内蔵し、この計時値に従って、整流器２４、充電器２６を制御する。即ち、整流器２４と充電器２６とは、タイマ制御されている。例えば予め定めた夜間時間帯、例えば午後１１時から翌朝の午前７時までの深夜の時間帯には、整流器２４と充電器２６とを同時に作動させ、予め定めた非夜間時間帯、例えば午前９時から午後５時までの時間帯には、整流器２４と充電器２６とを停止させる。また、この夜間時間帯の終了時刻から非夜間時間帯までの間、例えば午前７時から午前９時までの時間帯と、非夜間時間帯の終了時刻から夜間時間帯の開始時刻までの間、例えば午後５時から午後１１までの時間帯には、整流器２４を動作させ、充電器２６を停止させている。なお、開閉器２２も整流器２４と同様に制御装置４０によって制御される。
【００３２】
即ち、制御装置４０は、非夜間時間帯には、整流器２４を停止させ、非夜間時間帯以外の時間帯には整流器２４を動作させている。開閉器２２も同様である。また、制御装置４０は、夜間時間帯のみ充電器２６を動作させ、それ以外の時間帯には停止させている。
【００３３】
なお、蓄電池２８の正極とダイオード３０のアノードとの間には、蓄電池２８の放電状態（例えば単位時間あたりの放電電流値）を監視する蓄電池劣化検知装置４４が設けられている。この蓄電池劣化検知装置４４は、蓄電池２８が劣化したと判断した場合、例えば単位時間あたりの電圧低下値が予め定めた値よりも多くなったとき、蓄電池劣化報知信号を制御装置４０に供給する。これによって、制御装置４０は、図示していない表示器を点灯させるか、或いは放音装置を作動させ、蓄電池２８が劣化していることを報知する。
【００３４】
この無停電電源装置の運転方法を図２及び図３を参照して説明する。なお、図２（ａ）は開閉器２２の動作状態を示し、同図（ｂ）は整流器２４の動作状態を示し、同図（ｃ）は充電器２６の動作状態を示し、同図（ｄ）はインバータ３２の動作状態を示し、同図（ｅ）は蓄電池２８の電圧状態を示している。
【００３５】
同図（ａ）に示すように夜間時間帯の開始前に、開閉器２４は閉成され、かつ整流器２４は動作しているとする。この状態において、夜間時間帯の開始時刻午後１１時になると、制御装置４０は、同図（ｃ）に示すように充電器２６を動作させ、蓄電池２８の充電を開始する。これに伴って、同図（ｅ）に示すように蓄電池２８の電圧は上昇を続ける。このとき、整流器２４によって得られた直流電源がインバータ３２に供給されており、インバータ３２によって変換された直流電源が、交流スイッチ３４を介して負荷３８に供給され、負荷３８は、その動作を継続する。
【００３６】
夜間時間帯の終了時刻である午前７時になると、制御装置４０は充電器２６を停止させる。これによって同図（ｅ）に示すように蓄電池２８の電圧上昇は停止する。同時に、負荷３８への交流電源は、整流器２４、インバータ３２、交流スイッチ３４を介して行われているので、蓄電池２８は放電せず、その電圧は同図（ｅ）に示すように低下していない。
【００３７】
非夜間時間帯の開始時刻である午前９時になると、制御装置４０は、開閉器２２を開放し、かつ整流器２４を停止させる。これによって、同図（ｅ）に示すように、蓄電池２８から放電が開始され、この放電による直流電源がインバータ３２に供給され、交流電源に変換され、交流スイッチ３４を介して負荷３８に供給される。従って、非夜間時間帯には、商用交流電源を使用しなくても、負荷３８に交流電源を供給することができ、しかも、この交流電源の供給には、従来には停電時にしか使用されていなかった蓄電池２８が使用されており、蓄電池２８の有効利用が図られている。さらに、蓄電池２８の充電は、電気料金が安い深夜料金である午後１１時から午前７時までの間に行われている。
【００３８】
非夜間時間帯の終了時刻である午後５時になると、制御装置４０は、開閉器２２を閉成し、かつ整流器２４を動作させる。これによって、負荷３８への交流電源の供給は、整流器２４、インバータ３２、交流スイッチ３４を介して行われる。但し、このとき、充電器２６は非動作状態にあり、蓄電池２８への充電は行われていない。そのため、午後９時以降、低下を続けていた蓄電池２８の電圧は、低下が停止し、以後、その値を維持する。そして、午後１１時になると、上述したように、充電器２６が動作を開始し、蓄電池２８の電圧が上昇を開始する。以下、同様な動作を繰り返す。
【００３９】
図３は、この無停電電源装置の運転時における商用交流電源の電力使用量を示したもので、電気料金が深夜料金となる午後１１時から午前７時までの間に、蓄電池２８の充電が行われている。このとき、負荷３８への交流電源の供給が整流器２４、インバータ２６によって行われているので、最も多くの電力使用量となっている。即ち、料金の安い時間帯の使用量が最も多い。また、非夜間時間帯である午前９時から午後５時までの間は、蓄電池２８の放電によって負荷３８に電源の供給が行われているので、電力使用量は零である。
【００４０】
さらに、夜間時間帯と非夜間時間帯との間である午前７時から午前９時までの間、非夜間時間帯と夜間時間帯との間である午後５時から午後１１時までの間には、蓄電池２８の充電は行われずに、整流器２４、インバータ３２によって負荷３８への電源供給が行われているので、深夜料金の時間帯ではないが、電力使用量は少ない。また、この間には、蓄電池２８の充電も放電も行われない。従って、蓄電池２８は常に充電及び放電が繰り返されることがないので、蓄電池２８の寿命を延ばすことができる。このように蓄電池２８の充放電が行われない時間帯が得られるのは、負荷３８に電源を供給するための整流器２４と、蓄電池２８の充電用の充電器２６とを、別個に設けているからである。
【００４１】
なお、午後５時から午後１１時までの間における蓄電池２８の容量は、このときに停電が生じても、負荷３８に予め定めた時間にわたって継続して所定の交流電源を供給することができる値に設定されている。午後１１時以降から翌日の午後５時までの間の蓄電池２８の電圧は、上述した午後５時から午後１１時までの間における蓄電池２８の電圧よりも高い電圧であるので、午後１１時以降から翌日の午後５時までの間に停電が生じても、予め定めた時間にわたって所定の交流電源を負荷３８に供給することができる。また、停電が回復すると、その時点における本来の動作に戻る。即ち、夜間時間帯では蓄電池２８の充電と負荷への電源供給、非夜間時間帯では蓄電池２８による負荷３８への電源供給、夜間時間帯から非夜間時間帯までの間及び非夜間時間帯から夜間時間帯までの間では整流器２４による電源供給を行う。
【００４２】
なお、午前９時から午後５時までの間に、商用交流電源が停電した場合、インバータ３２は、商用交流電源とは非同期で自走発振した周波数で交流電源を出力しているので、停電が回復したときには、インバータ３２を商用交流電源と同期させる。
【００４３】
この無停電電源装置において使用される充電器２６と蓄電池２８との容量は、例えば次のようなものである。入力電圧が単相１００Ｖ、出力容量が３０００Ｗである無停電電源装置とすると、整流器２４の出力電圧は１００＊√２＝１４４となる。これに対応する蓄電池は１セルの電圧を２Ｖとすると、７２セルを直列に接続することによって、整流器２４の出力電圧に等しい電圧となる。蓄電池２８の放電電流は、無停電電源装置の力率を０．８、インバータ３２の直流−交流変換効率を０．９とすると、３０００＊０．８／（０．９＊１４４）＝１８．５Ａとなる。非夜間時間帯（午前９時から午後５時）の８時間の放電量は、１８．５Ａ＊８Ｈ＝１４８ＡＨである。従って充電効率を８０％とすると、蓄電池２８として１４８／０．８＝１８５ＡＨのものを選定すればよい。そこで、ＭＳＥ２００の７２セルが蓄電池２８として使用される。
【００４４】
充電器２６では、１セルを２Ｖに充電するのに最大２．５Ｖが必要であるので、７２セル＊２．５Ｖ＝１８０Ｖの出力電圧が必要である。同じく１８５ＡＨを８時間で充電する必要があるので、出力電流は１８５ＡＨ／８Ｈ＝２３Ａである。従って、充電器２６としては、１８０Ｖ、２３Ａを出力する必要がある。
【００４５】
次に、この無停電電源装置の電力使用量について説明する。夜間時間帯の８時間に必要な電力は次の通りである。蓄電池２８の充電に要する電力量が１８０Ｖ＊２３Ａ／０．９＝４６００Ｗであり、整流器２４、インバータ３２での電力使用量が３０００Ｗ＊０．８／０．９＝２６６７Ｗである。よって、合計して約７．３ｋＷの電力量である。これが８時間使用されるので、電力使用量は７．３ｋＷ＊８＝５８．４ｋＷＨである。
【００４６】
非夜間時間帯に必要な電力使用量は０である。
【００４７】
夜間時間帯から非夜間時間帯までの間（午前７時から午前９時）と非夜間時間帯から夜間時間帯までの間（午後５時から午後１１時）における必要電力は、上述した整流器２４、インバータ３２での電力使用量に等しく２６６７Ｗである。これが合計８時間にわたって使用されるので、２６６７Ｗ＊８＝２１．３ｋＷＨである。
【００４８】
電力料金は、夜間時間帯では６円／ｋＷＨであり、夜間時間帯から非夜間時間帯までの間と非夜間時間帯から夜間時間帯までの間には２２円／ｋＷＨである。従って、１月あたりの夜間時間帯の電力料金は、５８．４ｋＷＨ／日＊６円／ｋＷＨ＊３０日＝１０５１２円である。１月あたりの夜間時間帯から非夜間時間帯までの間と非夜間時間帯から夜間時間帯までの間の電力料金は、２１．３ｋＷＨ／日＊２２円／ｋＷＨ＊３０日＝１４０５８円である。合計の１月当たりの電力料金は、２４５７０円である。
【００４９】
これに対し、従来型の無停電電源装置では、上記の夜間時間帯から非夜間時間帯までの間と非夜間時間帯から夜間時間帯までの間と同様２６６７Ｗの電力量が少なくとも必要であるので、２．６６７ｋＷ＊２４Ｈ＊２２円／ｋＷＨ＊３０日＝約４２２４０円である。従って、４２２４０−２４５７０＝１７６７０（円／月）の経済効率が得られる。
【００５０】
図４に本発明の第２の実施の形態の無停電電源装置を示す。これでは、２系統の無停電電源装置４６ａ、４６ｂが設けられている。これらに共通に蓄電池２８が設けられている。無停電電源装置４６ａ、４６ｂの構成要素は、第１の実施の形態の無停電電源装置の構成要素と同等であるので、同一符号に符号ａまたはｂを付して、その説明を省略する。なお、充電器２６に対して独立に開閉器２２ｃが設けられている。開閉駆動装置４２は、各開閉器２２ａ、２２ｂ、２２ｃを個別に開閉制御する。この無停電電源装置の動作は、図１の無停電電源装置と同様であるので、詳細な説明は省略する。このように２系統の無停電電源装置に対して共通に１台の蓄電池２８を使用しているので、コストを低下させることができる。
【００５１】
上記の両実施の形態では、充電器と整流器とを別個に設けたが、整流器から充電器を浮動充電するように構成し、充電器を省略することもできる。また、整流器は、制御装置４０からの制御信号に基づいて運転及び停止するものとしたが、制御装置４０から制御せずに開閉器２２の開閉による電源の供給及び停止のみを行う単なるダイオードの全波または半波の整流回路としてもよい。また、上記の実施の形態では、蓄電池２８をインバータ３２の電源として使用する時間を、非夜間時間帯である午前９時から午後５時までの８時間としたが、これに限ったものではなく、例えば午後１２時から午後３時ように異なった時間帯とすることもできる。この場合、蓄電池２８の容量を小さくすることができ、充電器２６の容量も小さくできる。また、充電器２６としては、太陽電池や燃料電池を使用することもできる。この場合、商用交流電源の電力使用量を小さくすることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、特定の時間帯に充電した蓄電池を用いて、上記特定の時間帯外の時間帯に負荷を作動させるようにしているので、単に無停電とするだけに従来使用されていた蓄電池の有効利用を図ることができ、かつ電力料金を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の無停電電源装置のブロック図である。
【図２】図１の無停電電源装置の動作説明図である。
【図３】図１の無停電電源装置の電力使用量を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の無停電電源装置のブロック図である。
【図５】従来の無停電電源装置のブロック図である。
【図６】図５の無停電電源装置の動作説明図である。
【符号の説明】
２２  開閉器
２４  整流器
２６  充電器
３２  インバータ
４０  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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